Глубину заложения фундамента мелкого заложения можно определить, исходя из характеристик грунта и специфики строительного объекта. Обычно она составляет от 0,5 до 1,5 метров и выбирается с учетом нагрузки от здания, свойств почвы и уровня грунтовых вод. Для точной оценки рекомендуется проводить геологические изыскания, которые позволят выяснить структуру и характеристики слоя, на который будет опираться фундамент.
Также важным аспектом является соблюдение строительных норм и правил, которые регламентируют минимальные глубины заложения в зависимости от климатических условий и типа конструкций. Таким образом, правильный выбор глубины заложения фундамента мелкого заложения обеспечит долговечность и устойчивость здания.
Проектирование фундаментов мелкого заложения на естественном основании
Фундаменты с мелким заложением возводятся в открытых котлованах. Их ключевые характеристики заключаются в том, что нагрузка передается на основание, в основном, через подошву, а В том, что отношение высоты фундамента к его ширине составляет менее четырех. Такие фундаменты обычно считаются оптимальными при глубине заложения до 2…4 м.
По своей форме фундаменты делятся на отдельные (под колонны), ленточные (под стены) и сплошные или плитные (для всего здания). Основание фундаментов может быть как естественным, так и искусственным. В первом случае грунты используются без предварительной обработки, а во втором — до начала строительных работ производится замена или целенаправленное улучшение свойств грунтов, например, с помощью уплотнения, закрепления или осушения.
Определение глубины заложения подошвы фундамента
При определении глубины установки основания фундамента (см. рис. 3.1, 3.2) необходимо учитывать следующие аспекты:
- — назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения, нагрузок и воздействий на его фундаменты;
- — глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубины прокладки инженерных коммуникаций;
- — существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;
- — инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия слоев, склонных к скольжению, карманов выветривания, карстовых полостей и др.);
- — гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации;
- — возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов, трубопроводов и др.);
- — глубины сезонного промерзания грунта.
Конструктивными особенностями возводимых сооружений являются:
- · величина и характер нагрузок, передаваемых на фундаменты;
- · наличие подземных этажей, подвалов, подполий, приямков и других устройств, заглубленных в грунт;
- · характер конструкций, через которые нагрузка передается на фундаменты (колонна каркаса, инженерные болты, несущие стены, распорные конструкции);
- · чувствительность надземных конструкций к возможному развитию неравномерных осадок.
Нагрузки, которые передаются с надземных сооружений на основания, влияют на их размер в горизонтальной проекции и предсказывают осадки фундаментов в зависимости от структуры накладываемых грунтов [14].
Рис. 3.1. Заглубление основания по отношению к уровню пола подвального этажа: а — без гидроизоляции; б — с гидроизоляцией подвальных зон; в, г — при наличии техподполья или подвала, в зависимости от ширины подвала; 1 — элементы гидроизоляции; 2 — соединение из гидроизоляции; 3 — бетонная стяжка; hk — толщина бетонного покрытия; hn — высота фундаментной подушки
Иногда высота фундаментов, обусловленная прочностью его материала, заставляет увеличивать глубину заложения фундаментов. В частности, при устройстве фундаментов под тяжелые металлические колонны, высота фундаментов зависит от необходимости заделки анкерных болтов.
Когда имеются подземные конструкции, глубину закладки фундаментов необходимо делать ниже уровня этих устройств. В частности, для фундаментов, находящихся в несменяемых грунтах, глубина должна составлять не менее 0,5 м ниже уровня пола подвала.
Если осуществляется внутренняя гидроизоляция подвальных помещений, минимальная глубина закладки устанавливается по следующей формуле
где hn — это толщина подкладки, м; hcf — толщина конструкции подвала, м.
Рис. 3.2. Глубина заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей: а — под сборную железобетонную колонну; б — под металлические колонны (общий вид и армирование); 1 — анкерные болты; 2 — арматурные сетки
При примыкании проектируемых фундаментов к существующим различают следующие случаи: подошва проектируемых фундаментов располагается выше глубины заложения существующих (рис. 3.3, а), на одном и том же уровне
(рис. 3.3, б, в) и ниже подошвы существующего фундамента (рис. 3.3, г, д). Значение тангенса угла в определяется из выражения
где цl — расчетные значения угла внутреннего трения; сl — расчетное удельное сцепление; pl — интенсивность давления на подошве расположенного выше фундамента.
В ситуациях, показанных на рисунке 3.3, б, в, г, д, требуется оценка надежности действующего фундамента.
Когда вновь возводимые фундаменты приходится делать на различных отметках, переход от большей глубины заложения к меньшей осуществляется уступами, как изображено на рис. 3.4, где tgв определяется по формуле (3.2).
В связных грунтах (при c ? 50 кПа) можно принимать tgв = 1.
Рис. 3.3. Случаи примыкания к существующим фундаментам: 1 — существующий фундамент; 2 — проектируемый фундамент; 3 — шпунт
Рис. 3.4. Высотное расположение уступов: а — при смежных отдельных фундаментах; б — при ленточном фундаменте (размеры в метрах)
В зависимости от особенностей рельефа стройплощадки глубина заложения фундаментов под стенами протяжённых зданий может варьироваться, адаптируясь к рельефу участка. В таких ситуациях фундаменты разрабатываются с уступами как по длине, так и по глубине сооружения. При проектировании таких уступов необходимо учитывать определённые условия.
где ly — длина уступа фундамента, м; hy — высота уступа, м. Для ленточных фундаментов высота уступов принимается 0,5-0,6 м, а длина участка фундамента 1-1,2 м.
По инженерно-геологическим условиям глубина заложения фундаментов назначается в зависимости от строения толщи основания. В многослойной толще при согласном напластовании грунтов фундамент закладывается на опорный слой, имеющий высокие прочностные (c, ц) и деформационные (Е) характеристики. В однородной толще оснований глубина заложения фундаментов назначается конструктивно, но не более 5-6 м и не менее 0,5 м. Кроме напластования грунтов, учитывают и режим подземных вод — гидрогеологические условия площадки строительства. Заглубление подошвы ниже уровня подземных вод (У.П.В.) вызывает удорожание строительства и нарушение природной структуры грунта несущего слоя гидростатическим и гидродинамическим давлением подземной воды. Поэтому желательно располагать подошву фундаментов выше уровня подземных вод во время закладки фундаментов или принимать минимальное их заглубление ниже указанного уровня.
Положение уровня подземных вод существенно сказывается также на пучении грунтов при их промерзании, что учитывается нормами [16].
При закладке фундаментов в обводненных грунтах необходимо заранее разработать проект водопонижения на период строительства [13].
Ключевыми климатическими аспектами, оказывающими влияние на глубину закладки фундаментов, являются циклы промерзания и оттаивания грунтов, а также процессы высыхания и увлажнения верхних слоев земли. Установлено, что при замерзании некоторых типов грунтов происходит их морозное пучение, что приводит к увеличению объема. Таким образом, в подобных грунтах запрещено устанавливать фундаменты на глубине, меньшей, чем уровень промерзания.
Нормы проектирования [16] рекомендуют расчетную глубину заложения фундаментов наружных стен и колонн принимать в зависимости от положения У.П.В. и показателя текучести пылевато-глинистых грунтов.
Нормативную глубину промерзания можно определить по формуле (если
где Mt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур воздуха за зиму в данном районе, принимаемых по [15] или по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях со строительной площадкой; d0 — величина, м, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23; для супесей, песков пылеватых и мелких 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности 0,30; крупнообломочных грунтов 0,34.
Глубина заложения фундаментов (рис. 3.5) стен бесподвальных зданий в зависимости от глубины расположения У.П.В. назначается по табл. 3.1 с учётом расчетной глубины промерзания грунтов около фундаментов. Расчетная глубина промерзания определяется по формуле [16]
где — стандартизированная глубина замерзания; — коэффициент, который учитывает воздействие теплового режима строения на уровень промерзания грунтов вокруг стеновых фундаментов, определяется согласно [16, табл. 1] или по табл. 3.2.
Рис. 3.5. Заложение фундаментов в зависимости от глубины промерзания и уровня подземных вод
Таблица 3.1 Глубина заложения фундаментов отапливаемых сооружений по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания
Грунты под подошвой
Глубина заложения фундаментов dw, м, в зависимости
в зависимости от расстояния до слоя подземных вод
Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности
Не зависит от расчетной глубины
промерзания грунта df
Пески мелкие и пылеватые
Не менее расчетного
Супеси с показателем
то же при IL ? 0
Суглинки, глины, а также
крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем при
индексе смены грунта или
заполнителя IL ? 0,25
1. Если по табл. 3.1 глубину заложения фундаментов допускается принимать вне зависимости от расчетной глубины промерзания df, грунты, соответствующие этим случаям, должны залегать до глубины не менее нормативной глубины промерзания . 2. Положение уровня подземных вод должно приниматься с учетом указаний [16 пп. 2.17-2.21].
3. К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии — помещения первого этажа. 4. При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент kh принимается с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в табл. 3.2.
Таблица 3.2 Коэффициент влияния теплового режима здания Kh на глубину промерзания грунта у фундаментов наружных стен
чертеж раскроя сооружения
Kh при температуре в 1-м этаже, подвале или техническом подполье, С
44. Особенности возведения фундаментов мелкого заложения
Возведение фундаментов мелкого заложения на суше начинают с разметки (разбивки) на местности котлована. Затем производят крепление стен котлована, осушение его от подземной воды, разработку и удаление грунта, установку опалубки и бетонирование фундамента. После приобретения бетоном прочности, предусмотренной проектом, снимают опалубку, устраивают гидроизоляцию, удаляют крепление, засыпают грунтом пазухи между фундаментом и стенами котлована, планируют местность вокруг фундамента.
Рис. 7.13 Разработка котлована на суше а — без крепления; б —с закладным креплением; в — со шпунтовым креплением:1- контур котлована; 2 — очертание фундамента; 3— удаленный из котлована грунт или механизм (кран, бетономешалка и т п.); 4 — стойки; 5 — распорки; 6— закладные доски; 7 — шпунт
В зависимости от свойств грунтов, степени насыщения их водой и глубины заложения фундамента котлованы разрабатывают без крепления (рис. 7.13, а) или с креплением их стен (рис. 7.13, б, в). При разработке грунта необходимо иметь в виду, что от воздействия грунторазрабатывающих механизмов, а Вследствие снятия естественной пригрузки в виде удаляемого слоя грунта происходит разуплотнение верхней зоны несущего пласта. На степень разуплотнения оказывают значительное влияние продолжительность выстойки отрытого до проектной отметки котлована от момента удаления грунта до начала бетонирования фундамента, изменение уровня подземных вод, замачивание грунта атмосферными осадками, промораживание основания в зимний период строительства и т. п.
С удлинением периода выдержки открытого котлована наблюдается набухание глинистых почв несущей конструкции. При увлажнении таких почв атмосферными осадками их прочность уменьшается, а в случае замерзания происходит пучение данных грунтов вследствие подсоса влаги. Наличие избытка воды может привести к недопустимым осадкам и перекосам забетонированного в этом котловане фундамента, что негативно скажется на эксплуатационных характеристиках сооружения.
Механические свойства песчаных грунтов в отрытых котлованах от воздействия тех же факторов меняются меньше, чем глинистых. Однако плотность сложения песков может значительно уменьшаться при их быстром подтоплении подземными водами, например, в случае прекращения водоотлива до завершения бетонирования фундамента или же при случайном прорыве водонасыщенного песка из-под низа ограждения котлована, если разработку грунта осуществляют без водоотлива. В связи с этим разработку котлована и бетонирование фундамента стараются выполнить по возможности в короткие сроки.
При возведении фундаментов в водоемах работы приходится выполнять в более сложных условиях. Их проводят в следующей очередности: устраивают ограждение котлована; осуществляют подводную разработку и удаление грунта; укладывают на дне котлована подводным способом подушку из бетонной смеси для предотвращения поступления воды через грунты основания; выдерживают бетон подушки; осушают котлован; устанавливают опалубку фундамента; бетонируют фундамент; разбирают опалубку и ограждение, если это предусмотрено проектом. В отличие от крепления котлованов, устраиваемого для предотвращения осыпания грунта и поступления подземных вод в выработку, ограждения предназначаются, кроме того, для изоляции котлованов от воды водоема. Вместе с тем понятия «крепление» и «ограждение» котлованов взаимосвязаны, так как крепление стен котлована от обрушения грунта может служить одновременно и его ограждением, а ограждение котлована от поступления поверхностных вод можно использовать и в качестве крепления от оползания грунта, находящегося ниже дна водотока.
Для ограждения котлованов в водоемах используют грунтовые и шпунтовые перемычки разных типов (рис. 7.14), бездонные ящики, понтоны (рис. 7.15) и т. п.
Рис. 7.14. Схемы шпунтовых перемычек а однорядной из деревянного шпунта с грунтовой обсыпкой; б — двухрядной из деревянного шпунта с грунтовой засыпкой; в — из стального шпунта; 1 — шпунт: 2 —обвязка: 3 — распорное крепление
Рис. 7.15. Схемы инвентарных перемычек: слева — конструкция из щитов и понтонов; справа — вариант из понтонов КС: 1 — щиты; 2 — распорное крепление; 3 — соединение с болтовым соединением; 4 — ограждение, остающееся в земле; 5 — понтоны закрытой конструкции КС; 6 — водозащитная подушка из бетона, установленная подводным методом; 7 — фундамент; 8 — тело опоры.
Тип и конструкцию ограждения выбирают в зависимости от глубины воды в русле, глубины котлована, вида грунтов с учетом Обеспечения минимального поступления воды в котлован и устойчивости стен котлована против обрушения. Размеры ограждения назначают на основании расчетов их прочности, устойчивости и водонепроницаемости.
Подводную разработку грунтов и удаление их из заполненных водой котлованов производят грейферами, эрлифтами и гидроэлеваторами. При использовании грейферов необходимо применять такие распорные крепления котлованов, которые не препятствовали бы нормальному ведению работ и, кроме того, обладали достаточной прочностью, исключающей их поломку или смещение при случайном ударе грейферами.
Работы по бетонированию тела фундаментов производят, как правило, в предварительно осушенном котловане. На подготовленное основание устанавливают опалубку и укладывают бетонную смесь такими же приемами, как это делается при возведении фундаментов на суше. Если осушить котлован не удается вследствие большого поступления воды через грунты основания или при откачке воды возможен наплыв грунта и связанное с ним снижение несущей способности основания, то на дно котлована укладывают подводным способом водозащитную подушку из бетона. В отечественной практике строительства мостов и гидротехнических сооружений наиболее распространенным является метод ВПТ, обеспечивающий высокую производительность и хорошее качество бетона.
Поскольку фундаменты мелкого заложения сооружают в котловане, предварительно отрытом до проектной глубины, то их применение целесообразно и экономически выгодно, если не требуется крепления стен выработки и борьбы с большим притоком подземных или поверхностных вод. Практически это бывает обычно при глубине заложения до 5—б м.
Вопросы для самоконтроля и повторения 1. Какие существуют виды фундаментов с мелким основанием?
2. Какие виды фундаментов мелкого заложения применяют в мостостроении?
3. Как определить глубину заложения фундамента мелкого заложения и его размеры?
4. Каков принцип расчета фундаментов мелкого заложения по первому и второму предельным состояниям?
5. Как проверяется устойчивость фундамента против опрокидывания? и сдвига?
6. Каким образом осуществляется проверка прочности подстилающего слоя при разработке фундамента?
7. Как осуществить гидроизоляцию фундаментов?
