Все здания и сооружения основываются на грунте. Слой грунта, на который передаются нагрузки от здания или сооружения, называется основанием. Грунт как основание здания или сооружения должен быть однородным и обладать достаточной несущей способностью.
Несущая способность грунта характеризуется его расчетным сопротивлением; учитывая, что практически все грунты (кроме скальных) под действием нагрузки дают со временем осадки, расчетное сопротивление выбирают исходя из величины безопасных для зданий и сооружений многолетних осадок. Поэтому расчетное сопротивление зависит не только от качества грунта непосредственно под подошвой фундамента, но и от напластования грунтов в пределах всей сжимаемой толщи и определяется по результатам бурения скважин (рис. 1) при изысканиях на площадке.
Однородность в пределах площади, занимаемой зданием или сооружением, важна для обеспечения равномерных осадок. Неравномерные осадки особенно опасны.
Рис. 1. Разрез по скважинам
Грунт, используемый в качестве основания без каких-либо мероприятий по изменению его свойств, называется естественным основанием. Применяя мероприятия, повышающие несущую способность грунта, получают искусственное основание.
В СНиПе предусмотрена разработанная специально для строительных целей следующая классификация грунтов как естественных оснований:
Вечномерзлые грунты распространены в России в основном за полярным кругом, но встречаются (в виде островной вечной мерзлоты) даже южнее 50-й параллели (южнее Иркутска, Читы и др.).
В своем природном состоянии все виды вечномерзлых грунтов обладают высокой несущей способностью. Однако при оттаивании (размораживании) водонасыщенных вечномерзлых грунтов их несущая способность может снизиться до нуля, например при наличии в толще грунта масс ископаемого льда.
Основными видами искусственных оснований промышленных зданий и сооружений являются следующие:
1. Песчаные подушки (рис. 2, а) заменяют природный слабый грунт под фундаментом (слоем более качественного искусственного песчаного грунта). Размеры песчаной подушки определяются расчетом так, чтобы давление от подушки на нижележащий природный слой грунта не превышало его несущей способности.
2. Свайное основание. В зависимости от способа передачи нагрузки сваями на грунт различают сваи-стойки (рис. 2, б), опирающиеся концами на плотный, глубоко залегающий слой грунта (материк), и висячие (рис. 2, в), держащиеся в грунте трением или зацеплением.
В зависимости от способа опускания в грунт сваи делят на забивные (железобетонные) и набивные (бетонные, железобетонные), бетонируемые непосредственно в скважинах, предварительно получаемых вращательным или ударным бурением.
Рис. 2. Искусственные основания;
а - песчаная подушка; б — свайное основание со сваями-стойками; в то же, с висячими сваями;1 — песчаная подушка; 2 — изобары
Из перечисленных наиболее распространены железобетонные забивные сваи квадратного сечения со стороной 200-400 мм. В последние годы в практике строительства крупных сооружений (мостов, башенных копров и др.) все чаще применяются сваи-оболочки в виде железобетонных труб диаметром до 3 м. Такие сваи опускаются в грунт (до материка) при помощи вибропогружателей, затем грунт из полости сваи удаляется и свая (в нижней части) заполняется бетоном.
Применение свайных фундаментов в промышленном строительстве до сих пор ограничивалось случаями наличия на строительной площадке слабых грунтов. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что свайные фундаменты можно успешно применять и при нормальных грунтовых условиях, при глубине заложения фундаментов 3—4 м, так как, несмотря на сравнительно высокую стоимость забивки свай, уменьшение объема земляных работ и объема бетона в фундаментах делается свайные фундаменты более экономичными.
3. Различные способы закрепления или уплотнения грунтов. Сюда относятся:
Для закрепления водонасыщенных грунтов и во избежание затопления котлована на время постройки сооружений глубокого заложения используют также замораживание мелкозернистых грунтов и битумизацию трещиноватых скальных грунтов.
В связи с бесконечным разнообразием местных грунтовых условий выбор основания и его расчетного сопротивления может быть сделан только на основании инженерно-геологических изысканий на местности. Конкретной целью таких изысканий является выявление напластования грунтов, их влажности, уровня и химического состава грунтовых вод и др.
Глубина заложения фундаментов, основываемых на скальных и крупнообломочных грунтах и на песках гравелистых крупных и средней крупности, принимается независимо от глубины промерзания и уровня грунтовых вод.
Глубина заложения фундаментов, основываемых на песках мелких и пылеватых, а также на супесях, суглинках и глинах малой и средней влажности, определяется в зависимости от взаимного расположения уровня промерзания и уровня грунтовых вод (рис. 1). При тех же грунтах, но высокой влажности, глубина заложения фундаментов принимается во всех случаях не менее глубины промерзания, во избежание повреждения зданий при пучении грунта.
Рис. 1. Глубина заложения фундаментов в глинистых грунтах
Глубина заложения фундаментов внутренних стен и колонн отапливаемых зданий принимается независимо от глубины промерзания, поскольку грунт промерзает только по периметру такого здания.
Верх фундаментов сборных железобетонных колонн располагают на уровне планировки грунта, так как это дает возможность полностью закончить работы нулевого цикла (устройство фундаментов, прокладку подземных коммуникаций, обратную засыпку всех котлованов и траншей и планировку поверхности грунта) до начала работ по монтажу каркаса, покрытия и других надземных частей здания.
Верх фундаментов стальных колонн приходится располагать на 0,8—1,0 м ниже с таким расчетом, чтобы башмак колонны был закрыт полом.
Если при этом подошвы фундаментов не достигают необходимой глубины заложения, то под фундамент закладывают подушку из тощего бетона, плотно утрамбованного песка или шлака и прочее (рис. 2, а) или делают фундамент с удлиненным подколонником (рис. 2, б).
Заглубленные фундаменты монолитных железобетонных колонн из тех же соображений бетонируют совместно с подколенником (рис. 2,в).
Рис. 2. Способы заглубления подошвы фундаментов: а — фундамент сборной железобетонной колонны с подушкой; б — то же, с железобетонным подколонником; в — фундамент монолитной железобетонной колонны: 1 — фундамент; 2—подушка; 3 — подколонник
В тех случаях, когда в здании имеются туннели, приямки или подвалы, фундаменты, непосредственно примыкающие к таким сооружениям, закладывают на такую глубину, чтобы при вскрытии котлована с соблюдением углов естественного откоса грунта все фундаменты основывались на нетронутом грунте (рис. 3,а). С этим требованием необходимо также считаться, когда проектируемое здание пристраивается к существующему.
Рис. 3. Уступчатое заглубление фундаментов:
а — фундаменты колонн; б — ленточный фундамент стены
В фундаментах под стены переход от более заглубленных частей к менее заглубленным делают уступами (рис. 3, б).
Расчетное сопротивление основания зависит от многих причин — вида грунта, его пористости, влажности, напластования слоев и обычно лежит в пределах от 1 до 2—2,5 кГ/см2.
Площадь подошвы F центрально нагруженного фундамента определяется по формуле центрального сжатия.
При внецентренном расположении колонны на фундаменте, при наличии в нижнем сечении колонны изгибающего момента или поперечной силы основание под подошвой фундамента работает на внецентренное сжатие. При этом отрицательные (растягивающие) напряжения под подошвой фундамента не допускаются.
Фундаменты под несущие стены располагаются по всему их периметру и называются ленточными (рис. 4, а).
Сборный ленточный фундамент выкладывается на растворе, из блоков двух видов: стеновых бетонных (неармированных) пустотелых блоков и железобетонных блоков-подушек. При малой нагрузке на фундамент и высоком расчетном сопротивлении основания блоки-подушки могут отсутствовать.
Бутовые ленточные фундаменты — раньше очень широко распространенные — имеют по сравнению со сборнымиными-
го больший объем (рис. 4, б, в), совершенно не индустриальны, трудоемки и, кроме того, требуют высококвалифицированной рабочей силы. По этим причинам они в промышленном строительстве теперь не применяются.
Фундаменты сборных железобетонных колонн (рис. 5, а) делают в виде ступенчатого массива, армированного понизу, с выемкой (называемой стаканом) для колонны. После установки колонны остающийся объем стакана заполняется бетоном. После его отвердения колонна и фундамент превращаются в единое целое.
Рис. 4. Ленточные фундаменты:
а — план; б — сечение сборного ленточного фундамента; в — сечение бутового ленточного фундамента; 1 — продольная стена; 2 — поперечная стена; 3 — прямоугольный блок; 4 — блок-подушка
Рис. 5. Конструкции фундаментов колонн:
а — ступенчатый фундамент сборной железобетонной колонны; б — фундамент стальной колонны; 1 — железобетонная колонна; 2 — башмак стальной колонны
Фундаменты сборных колонн, имеющие небольшой вес, делают сборными, т. е. изготовляют на заводе (или полигоне) и устанавливают на место кранами на слой песка или гравия. Крупные фундаменты колонн бетонируются на месте.
Фундамент монолитной колонны отличается от фундамента сборной колонны отсутствием стакана. Для связи колонны с фундаментом ее арматура доводится до низа фундамента.
Фундамент стальной колонны (рис. 5, б) делают с тщательно выравненной поверхностью, из которой выступают анкерные болты, закладываемые в фундамент при его бетонировании. Стальную колонну устанавливают башмаком на фундамент так, чтобы анкерные болты прошли в вырезы (или отверстия) башмака, и закрепляют гайками.
При проектировании многоэтажных зданий с тяжелыми нагрузками на слабых грунтах иногда приходится от отдельно стоящих фундаментов переходить к ленточным железобетонным (монолитным) фундаментам (рис. 6). При значительной ширине лент (приближающейся к расстоянию между осями колонн) они сливаются, превращаясь в сплошную плиту с выступающими вверх ребрами.
Рис. 6. Фундамент в виде пересекающихся железобетонных лент
При резко различающейся высоте соседних частей здания, при расширении и в других случаях во избежание повреждения конструкций в результате неравномерных осадок фундаментов, здание разрезают до грунта осадочными швами, которые в надземной части совмещают с температурными.
заменяют собой фундаменты для самонесущих и нижней части ненесущих стен. Эти балки всегда делают сборные железобетонные. Ширина фундаментной балки поверху определяется толщиной опирающейся на нее стены; ширина понизу, определяемая расчетом прочности балки и необходимостью размещения арматуры, обычно бывает меньше. Поэтому фундаментные балки имеют тавровое поперечное сечение.
Рис. 7. Фундаментные балки, 1 - бетонные столбики
Фундаментные балки укладывают концами на уступы фундаментов колонн так, чтобы верх балок располагался на 30 мм ниже уровня пола. С этой целью под концами фундаментных балок делают бетонные столбики необходимой высоты.
