Особенности геологического строения фундаментов в период их строительства

Геологическое строение основания фундаментов в период строительства представляет собой комплекс факторов, определяющих стабильность и долговечность здания. Важно учитывать состав грунтов, их плотность, водонасыщенность и динамические характеристики, так как эти параметры напрямую влияют на несущую способность фундамента. Наличие подземных вод, лишайников или расслоений может значительно изменить проектные решения и потребовать дополнительных мероприятий по укреплению фундамента.

Также следует отметить, что геологические исследования перед началом строительства позволяют выявить возможные риски и уклонности в геологическом строении участка. Программы мониторинга, проводимые непосредственно во время строительства, помогают контролировать изменения состояния грунтов и гарантируют соответствие проектных решений реальным условиям. Эффективный анализ геологических данных способен предостеречь от серьезных проблем, связанных с осадкой и деформацией зданий в будущем.

Инженерно-геологические изыскания, обследование существующих фундаментов

При проведении инженерно-геологических изысканий исследуют свойства грунтов основания непосредственно в пределах глубины заложения фундаментов и под их подошвой, а также на глубину сжимаемой толщи. Количество геологических выработок, скважин и шурфов, назначают в зависимости от размеров сооружения в плане, его типа, этажности, материала, протяженности и количества несущих стен и отдельно стоящих опор, наличия подвалов и подземных коммуникаций, -сложности рельефа площадки, характера окружающей застройки, наличия архивных сведений о данном сооружении и проводившихся на площадке в предшествующие годы инженерно-геологических изысканиях. В общем случае количество разведочных скважин должно быть не менее трех, количество шурфов — не менее пяти, закладываемых в местах, наиболее характерных для определения конструкций обследуемых фундаментов и приуроченных к наиболее выраженным деформациям конструкций. Целью инженерно-геологических изысканий является определение физико-механических и деформативных характеристик грунтов основания, а также определение положения уровня подземных вод, в том числе, с учетом его сезонных колебаний и химического состава для уточнения характера и степени агрессивности по отношению к материалу фундаментов.

Обследование фундаментов включает выявление конструкции, определение геометрических размеров и формы, характера и материала кладки фундаментов, а также механической прочности материала кладки и связующего раствора, определение наличия, типа и материала гидроизоляции — горизонтальной и вертикальной. Подлежит расчету и величина фактического давления сооружения в отдельных его частях и в целом на грунты основания.

В России, несмотря на довольно большой опыт, до настоящего времени не существует норм и правил по проектированию фундаментов при реконструкции и реставрации зданий и сооружений. Нет также документов, регламентирующих объем и характер изысканий, выполняемых в комплексе работ по обследованию эксплуатируемых зданий и сооружений. Фактическое давление на грунты основания, уплотнившиеся под воздействием длительной нагрузки от здания рассчитывали по допускаемому давлению, принимаемому для нового строительства, с повышающими коэффициентами 1.1-1.5, в зависимости от вида грунта. Давление под подошвой фундаментов для всех случаев реконструкции разрешалось увеличивать до значений, превышающих допустимое по нормам нового строительства на 40%, но лишь в том случае, если в несущих конструкциях реконструируемого здания отсутствуют трещины от неравномерных осадок.

Если фактическое давление Р оказывается больше несущей способности грунта R , то необходимо увеличение площади подошвы фундаментов, дополнительное заглубление или другой вид усиления фундаментов или искусственное улучшение строительных свойств грунтов основания, введение повышающего коэффициента к величине допускаемого давления исходя только из срока службы здания и фактического давления на грунты основания тем не менее не решают полностью проблему дальнейшей безопасности эксплуатации зданий, так как при этом не учитываются возможные деформации. Не принимаются в расчет предельно допустимые для данного сооружения осадки и его способность противодействовать развитию неравномерных осадок. При этом следует иметь в виду, что наряду с решением многих задач, связанных с усилением фундаментов, правильному решению проблемы в значительной степени способствует выявление конструктивной схемы здания и определение действующих в уровне фундаментов нагрузок.

В конечном счете, решение вопроса о возможности передачи дополнительных нагрузок на существующие фундаменты и грунты основания, а также необходимость их усиления остается за проектировщиком и зависит от его опыта и интуиции.

• Искусственное закрепление грунтов
• Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве

Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения — грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Поэтому цель настоящего курса — научить будущих инженеров-строителей обоснованию и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.

Геологическое строение оснований

Сооружение редко располагается на каком-либо одном грунте. Обычно в основании оказывается несколько типов грунтов. Тогда кроме оценки свойств каждого грунта возникает не менее важная задача — схематизация геологического строения основания, т.е. выделение внутренне однородных объемов разных грунтов и проведение границ между ними.

По предложению Н. В. Коломенского однородные части в геологической среде называют инженерно — геологическими элементами. Однородность элемента рассматривается как статистическое понятие, т.е. принимается, что характеристики грунта в его границах изменяются случайно, причем величина изменения этих характеристик не должна превышать определенных пределов. Обычно, выделение инженерно-геологических элементов основания производится по данным анализа характеристик физико-механических свойств грунтов. Тогда приведенные выше понятия нормативных и расчетных характеристик в среднем определяют свойства грунта в границах выделенного инженерно-геологического элемента.

Практически при проведении границ между инженерно-геологическими элементами сначала строят геологическую гипотезу о расчленении грунтовой толщи. При этом, во-первых, проводят границы между грунтами разного происхождении. Во-вторых, между грунтами различного наименования внутри каждого возрастного комплекса и, в-третьих, между грунтами различного состояния. Схематизация геологического строения основания является сложной геологической задачей, от правильного решения которой во многом зависит достоверность последующих расчетов, а следовательно, и судьба сооружения.

Форма и размеры геологических тел в основании сооружений. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела. Самой распространенной формой залегания осадочных горных пород, т.е. всех нескальных и скальных грунтов, является слой.

Слоем называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между этими поверхностями называют мощностью слоя. Внутри слоя залегает грунт одного наименования, но не обязательно одного строения.

Например, часть слоя суглинка может находиться в мерзлом, часть- в талом или маловлажном состоянии и т.п. Положение границы между грунтами различного состояния может меняться со временем в естественных условиях и тем более после освоения территории. Границы же слоев значительно более устойчивы. Хотя выветривание и некоторые техногенные воздействия на грунты способны изменить их состав настолько, что с течением времени изменяется наименование грунта, а с ним и положение границы слоя.

Слой скальных грунтов, подстилающий толщу нескальных в строительной практике часто называют коренной породой.

Л и н з о й называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью.

В определениях слоя и линзы использовалось понятие «рассматриваемой области». Можно следующим образом определить это понятие. Если известно пятно застройки сооружения, то рассматриваемой областью будет, по существу, основание этого сооружения, т.е. та часть массива, в которой под влиянием нагрузок от сооружения происходят деформации грунта. Поскольку инженерно-геологическая модель массива грунта часто строится до выбора конкретного места для сооружения, рассматриваемой областью будет являться вся часть слоистой толщи или массива, попадающая на геологический разрез. Тогда слоем будет геологическое тело, границы которого пересекают вертикальные границы разреза; линзой — геологическое тело, замкнутое внутри разреза.

Если геологическое тело входит с одной стороны в разрез и заканчивается в нем, говорят, что имеет место в ы к л и в а н и е с л о я.

Мощности слоев и линз могут быть невелики (несколько дециметров), но могут быть и значительны. Обычно мощность слоев и линз изменяется в пределах метров, но иногда достигает 10 и даже 30 м. Однородные слои мощностью более указанных значений встречаются крайне редко. Мощность слоя в таких случаях на разрезе может быть показана лишь частично. В расчетной схеме такой мощный слой обычно рассматривается как полупространство.

Слои мощность менее 0,5 м, как правило, не выделяются. Их необходимо выделять только в тех случаях, когда такой маломощный слой сложен породой с резко отличными инженерно-геологическими свойствами. Например, выделяется песчаный водопроводящий слой суглинка или слой слабого глинистого грунта среди водонасыщенных песков и т.п. В подобных случаях в инженерно-геологической модели показывают даже совсем тонкие слои, которые не могут быть изображены в масштабе разреза.

Очень тонкое однородное геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называют п р о с л о е м.

В расчетной схеме прослой часто моделируют поверхностью, в простейшем случае — плоскостью. Правильное изображение прослоев имеет исключительно большое значение. Например, при прогнозе устойчивости склонов и при расчете фильтрации.

Жила — это внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои.

З о н о й называют часть массива или толщи. Где происходят закономерные постепенные изменения свойств грунтов с глубиной или же в каком-либо другом определенном направлении. Например, по нормали к крупной наклонной трещине. Зона — это область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

Зоны выделяются обычно в тех случаях, когда закономерны изменения прослеживаются в пределах нескольких метров по разрезу.

Поскольку геологический разрез является основой для построения расчетной схемы взаимодействия сооружения и основания, следует стремиться с наибольшей точностью определять местоположение различных геологических тел и границ между ними. Не менее важны тщательное проведение опытов по определению физико-механических характеристик грунтов и статическая обработка результатов.

Проведение изысканий регламентируется нормативными документами и действующими инструкциями. Инженерно-геологические изыскания должны производиться. Как правило, территориальными изыскательскими, а также специализированными изыскательскими и проектно-изыскательскими организациями.

Повышение качества инженерных изысканий позволяет при проектировании фундаментов резко повысить технико-экономические показатели. Так, опыт ряда проектных институтов свидетельствуют о том, что увеличение затрат на изыскания на 5…10% дает возможность снизить стоимость фундаментов на 20…30%.

Связь конструкции фундамента с грунтовыми условиями

Очевидно, что на конструкцию фундамента оказывают влияние инженерно-ге­ологические и гидрогеологические условия, выбранная глубина заложения фунда­мента, наличие смежных строений.

Рассмотрим, как и в какой степени проявляются эти влияния.

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия

Они характеризуются типом грунта, расположением пластов и уровнем грунто­вых вод. 11ласты грунта могут располагаться по трем основным схемам.

Схема 1

Грунт сложен одним или несколькими слоями надежных грунтов, которые способны нести большую нагрузку (рис. 1, а). Эту схему можно считать наибо­лее распространенной. Глубина заложения фундамента принимается минималь­ной, рассчитанной из условия промерзания грунта и конструктивных особеннос­тей сооружения.

• На скалистых и крупнообломочных грунтах фундамент можно не заглублять: достаточно выровнять поверхность, удалить фрагменты плодородного слоя и выве­тренные слабые фракции грунта.
• На гравелистых и крупнозернистых песках глубина заложения фундамента может быть около 0,3 м.
• На песке средней крупности глубина заложения фундамента — около 03..0.5 м.
• На пылеватых и мелких песках, на супеси, суглинке и глине глубина заложе­ния фундамента зависит от влажности грунта и глубины его промерзания.

При уровне грунтовых вод ниже 2 м глубины промерзания глубина заложения фундамента — не менее 0,5 м.

При уровне грунтовых вод ниже глубины промерзания не более чем на 2 м глу­бина заложения фундамента — не менее 0,7 м.

При уровне грунтовых вод меньше глубины промерзания глубина заложения фундамента — не менее глубины промерзания.

Рис. 1 Схемы расположения пластов грунта: А — схема 1; Б — схема 2; В — схема 3; 1 — надежный грунт; 2 — слабый грунт

Сверху расположен грунт со слабой несущей способностью, а снизу — грунт с высокой несущей способностью (рис. 1, б). Глубина заложения фундамента и его конструкция зависят от мощности и толщины слоя слабых грунтов, а также — от ве­са конструкции здания и схемы выбранного фундамента:

• с опорой на надежный грунт (рис. 2, а);
• с опорой на слабый грунт при снижении действующего на него давления (рис. 2, б, в);
• свайный фундамент (рис. 2, г);
• замена слабого грунта на песчаную (гравийную) подушку (рис. 2, д);
• закрепление слабого грунта (рис. 2, е).

Рис. 2 Варианты устройства фундаментов при расположении пластов грунта по схеме 2: 1 — сильный грунт; 2 — слабый грунт

Слабонесущий грунт располагается между прочными грунтами (рис. 1, в). Предлагается следующие конструкции фундамента:

• с опорой на верхний прочный слой при развитой подошве фундамента (рис. 3, а);
• свайный фундамент (рис. 3, б);
• с опорой на щебеночную подсыпку (рис. 3, в);
• замена слабого грунта на песчаную подушку (рис. 3, г);
• закрепление слабого грунта (рис. 3, д).

Рис. 3 Варианты устройства фундаментов при расположении пластов грунта по схеме 3: 1 — сильный грунт; 2 — слабый грунт

Один из вариантов создания фундамента, где под торфяным грунтом (толщина слоя — до 1,2 м) находится слабонесущий слой плывуна большой толщины. Если за­бивка свай до несущего грунта невозможно, то фундамент с увеличенной площадью подошвы опирают на сам плывун (рис. 4). Вес строения желательно ограничить. Здесь учитывают свойство плывуна снижать свою подвижность в замкнутом огра­ниченном объеме.

Заглубленный фундамент создается с применением погружной несъемной щи­товой опалубки, исключающей заполнение скважины плывуном. Вариант создания опоры на плывуне предусматривает использование асбоцементной или щитовой трубы, образующей вертикальную часть опоры.

После создания опоры выполняется обратная засыпка существующим грунтом.

Рис. 4 Устройство фундамента на торфе с плывуном: А — установка опалубки; Б — создание опоры; В — опора с лентой–ростверком; 1 — торф; 2 — плывун; 3 — опалубка; 4 — бетон; 5 — арматура; 6 — асбоцементная труба; 7 — лента–ростверк; 8 — опора

Особенности возводимого и смежного сооружений

Определенную роль в выборе фундамента оказывает наличие около будущего здания ранее возведенного смежного сооружения. Главное в этом — не дать грунту-основанию под существующим домом просесть. Это обеспечивается следующими способами.

• Подошву нового фундамента располагают выше, чем у существующего соору­жения (рис. 5, a).
• Подошвы фундаментов обеих строений располагают на одном уровне и на не­котором расстоянии друг от друга (рис. 5, б).
• Подошва нового фундамента располагается ниже подошвы существующего строения (рис. 5, в). Уклон линии, соединяющей подошвы смежных фундаментов, не должен быть больше 1 : 2 или не должен превышать 30°.
• При близком расположении фундаментов грунт закрепляют внедрением в не­го разделительных шпунтов (рис. 5, г).

Рис. 5 Схемы устройства фундаментов смежных строений: А — подошва выше чем у смежного строения; Б — подошва обоих фундаментов на одном уровне; В — подошва ниже чем у смежного строения; Г — подошва — вблизи и на одном уровне со смежным строением; 1 — существующий фундамент; 2 — новый фундамент; 3 — разделительный шпунт

Если не учитывать фундамент существующего строения, то близко расположен­ный котлован для фундамента нового строения может стать причиной разрушения (рис. 6).

Рис 6 Котлован вблизи дома — причина разрушения фундамента

Вели предполагается возводить сооружение около уникального строения, то этот факт может сказаться не только на выборе фундамента и глубины его зало­жения, но и, возможно, поставит под вопрос реальность выполнения строительства в такой близости от архитектурного шедевра.

• При устройстве ленточного фундамента на склоне высоту уступов делают около 0,5…0,6 м, а длину уступов — не менее 1 …1,2 м (рис. 7). Ступени подошвы фундамента можно выполнить и более крупными. Если же они будут слишком «мел­кими», то грунт может сгладить их, и строение соскользнет вниз.

Рис. 7 Ступенчатая подошва под ленточным фундаментом на склоне

• Если предполагается соединить фундамент и стены основного и смежного с ним строений, то это можно выполнить только после возведения стен, и лучше — после весны, после того, как в грунте пройдет состояние наименьшей несущей спо­собности (рис. 8).

Рис 8 Соединение смежных строений по этапам: А — выпуск арматуры из основного строения; Б — создание фундамента смежного строения; В — возведение стен смежного строения; Г — бетонирование соединения строений; 1 — фундамент основного строения; 2 — арматура; 3 — фундамент смежного строения; 4 — стены смежного строения; 5 — бетон

Способ производства работ при рытье котлована и возведении фундамента

Если технологией возведения фундамента предусмотрено рытье котлована, то фун­дамент желательно закладывать выше уровня грунтовых вод. Это позволит сохранить структуру фунта под основание и избежать лишних хлопот, связанных с организацией водоотвода. Этим можно существенно сократить сроки строительства. Если же по проек­ту дно котлована находится ниже уровня грунтовых вод, то без устройства дренажа здесь не обойтись.

Иные факторы, влияющие на глубину закладки фундамента

• При строительстве на пучинистых грунтах в домах с постоянным проживани­ем грунт под домом зимой прогревается, и расчетную глубину промерзания в зоне жилого дома можно уменьшить на 15…20%.
• С уменьшением габаритов дома (в плане) глубина заложения фундамента мо­жет быть уменьшена, т.к. при малых габаритах дома (меньше 6×6 м) неравномер­ность деформаций грунта по периметру снижается.
• Для домов со стенами малой жесткости (бревенчатый, брусовой, щитовой…), допускающими определенный уровень деформаций, глубина заложения фундамен­та может быть уменьшена.

Фундамент по технологии ТИСЭ

При создании столбчатого или столбчато-ленточного фундамента с использова­нием фундаментного бура ТИСЭ-Ф многие застройщики «на всякий случай» бурят глубже, неоправданно усложняя себе работу. На этот счет хотелось бы поделиться следующими соображениями.

Дело в том, что грунт-основание, испытывающее высокое давление непосредст­венно под опорой, сильно уплотняется весом дома; частички грунта смещаются, максимально сближаются и ориентируют­ся в том положении, при котором грунт приобретает наибольшую плот­ность. Л, как известно, степень пучинистости грунта тем меньше, чем меньше пор в грунте. Именно поэтому слой грунта толщиной 0,3…0,5 м непо­средственно под опорой можно рас­сматривать как слабопучинистый грунт, как продолжение самой опоры (рис. 9 ).

Рис. 9 Естественное уплотнение грунта под фундаментной опорой

Такой подход к назначению глу­бины заложения фундамента полезен при расчетной глубине промерзания 1,8…2,2 м или при наличии иных огра­ничений, не позволяющих бурить скважину ниже глубины промерзания.

Определившись с тем, как влияют грунтовые условия на выбор конструкции фундамента, следует более подробно остановиться на особенностях устройства фун­даментов разной глубины заложения. Оценка преимуществ и недостатков, свойст­венных той или иной разновидности фундамента, поможет застройщику принять правильное решение в этом сложном и ответственном вопросе.

Похожие записи:

1. Незаглубленный фундамент
2. Мелкозаглубленный фундамент