Грунты, применяемые в качестве основания, подразделяются на глинистые, песчаные, крупнообломочные , скальные и насыпные.
Скальные грунты - наиболее надежные. Они прочны, не проседают, не размываются и не вспучиваются. Залегают в виде сплошного массива, что редко встречается в Московской области и прилегающих областях. Фундамент можно возводить непосредственно на поверхности такого грунта, без заглубления.
Крупнообломочные грунты - несцементированный грунт, содержащий песок и более 50% по массе частицы крупнее 2 мм. Подразделяются на два вида. Грунт щебенистый (галечниковый) - масса частиц крупнее 10 мм составляет более 5 0% от массы сухого грунта и грунт дресвяный (гравийный) - масса частиц крупнее 2 мм составляет более 50%. Такой грунт практически не сжимается, и фундамент можно закладывать с заглублением не менее 0,5 м.
Песчаные грунты - сыпучие в сухом состоянии, не обладающие пластичностью во влажном состоянии и содержащие менее 50% по массе частиц крупнее 2 мм. В зависимости от размера частиц и их количества песчаные грунты подразделяются на пять видов (табл. 1.1) .
Песчаные грунты разделяются на плотные, средней плотности и рыхлые в зависимости от значений коэффициента (плотности) пористости. По влажности песчаные грунты разделяются: на маловлажные - при заполнении водой до 50% пор; очень влажные - от 50 до 8 0%; насыщенные - более 8 0%. Эти показатели необходимы для расчета несущей способности грунтов.
Таблица 1.1
Виды песчаного грунта
Песок
Размер частиц, мм
Масса частиц в сухом грунте, %
Гравелистый
^*2
>25
Крупный
>0,5
>50
Средней крупности
>0,25
>50
Мелкий
>0,1
>7 5
Пылеватый
>0,1
<7 5
Примечание: Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц исследуемой породы, сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм, далее крупнее 0,5 мм и т.д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в таблице.
Песчаные грунты имеют свойство уплотняться под нагрузкой, т.е. проседать. Прочность песчаных оснований возрастает с увеличением размера частиц. Пески средней крупности при воздействии нагрузки деформируются незначительно и, как и крупные пески, слабо реагируют на увлажнение. Мелкие же пески при увеличении влажности заметно теряют несущую способность. Эти грунты фильтруют воду и промерзают без пучения.
Суглинки и супесь - грунты, занимающие промежуточное положение между песчаными и глинистыми грунтами. При содержании глины от 10 до 30% грунт относят к суглинкам, а при более низком содержании глины - к супеси.
Глинистые грунты - связанные, обладающие во влажном состоянии пластичностью. Такие грунты могут сжиматься, размываться и при замерзании вспучиваться. При таком основании грунта необходимо закладывать фундамент на всю глубину промерзания.
Лёссы и лёссовидные грунты в сухом состоянии достаточно устойчивы в силу наличия прочных структурных связей. Однако при увлажнении эти связи нарушаются и грунт под нагрузкой проседает.
Торф, представляющий собой смесь глинистых или песчаных грунтов с растительными остатками, характеризуется медленным развитием осадок и большой сжимаемостью. Кроме того, в торфе зачастую возникают среды, агрессивные по отношению к материалам, из которых устроены подземные конструкции здания.
Простейшие методы самостоятельного определения некоторых видов грунта
Глина в сухом состоянии тверда в кусках, вязка, пластична, липка, мажется - во влажном. При растирании между пальцами песчаных частиц не чувствуется, комочки раздавливаются очень трудно, песчинок не видно. При скатывании в сыром состоянии образуется длинный шнур диаметром менее 0,5 мм, а при сдавливании шарик превращается в лепешку, не трескаясь по краям; при резке ножом в сыром состоянии имеет гладкую поверхность, на которой не видно песчинок.
Суглинок - комья и куски в сухом состоянии менее тверды, при ударе рассыпаются на мелкие куски, во влажном состоянии имеют слабую пластичность и липкость, при растирании чувствуются песчаные частицы, комочки раздавливаются легче, ясно видны песчинки на фоне тонкого порошка; при скатывании в сыром состоянии длинного шнура не получается, он рвется; шар, скатываемый в сыром состоянии, при сдавливании образует лепешку с трещинами по краям.
Супесь - в сухом состоянии комья легко рассыпаются и крошатся от удара, непластична, преобладают песчаные частицы, комочки раздавливаются без удара, почти не скатываются в шнур; шар, скатанный в сыром состоянии, при легком давлении рассыпается.
Песок пылеватый напоминает пыль или жесткую муку типа крупчатой, отдельные зерна в массе трудноразличимы.
Песок мелкий имеет зерна, слабо различимые глазом, песок средней крупности в основной массе имеет зерна размером с просяное, в крупном песке - большое количество зерен размером с гречневую крупу.
Гравий (дресва) - зерна размером от 5-7 до 10-12 мм составляют больше половины по массе. Между ними более мелкое заполнение. Гравий имеет частично окатанные формы, дресва - с острыми краями.
Галька (щебень) - зерна размером более 25-35 мм составляют более половины по массе. Между ними - мелкое заполнение. Галька - окатанной формы, щебень - остроугольный.
Песчаные, гравийные и галечниковые грунты - не связные.
Прочность основания будет обеспечена, если давление, которое передается фундаментом на грунт, не более расчетного для грунтов, залегающих под фундамент ом.
ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ
Глубина заложения фундаментов зависит от ряда условий:
- вида сооружения (дом, баня, гараж, хозяйственные постройки) и его конструктивных особен ностей (наличия цокольного, подвального этажа и т.д.);
- величины и характера нагрузок, действующих на фундамент ;
- геологических и гидрогеологических условий площадки;
- возможности пучения грунта при промерзании и осадки при оттаивании.
Минимальная глубина заложения фундаментов под наружные конструкции сооружений, возводимых на всех грунтах, кроме скальных, должна быть не менее 0,5 м от поверхности планировки участка.
В зданиях с подвалами приведенная глубина заложения подошвы фундаментов относительно пола должна быть не менее 0,5 м; при плотных или утрамбованных грунтах допускается не заглублять фундамент в грунт, т.е. принимать глубину заложения равной толщине подготовки под полы и пола подвала (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Глубина заложения фундамента относительно пола подвала: 1 - песчаная подготовка под полы h1; 2 - бетонный пол подвала h2; 3 - уровень пола подвала; 4 - глубина заложения фундамента относительно пола подвала Hп; 5 - грунт
Глубина заложения фундамента находится в непосредственной зависимости от глубины промерзания грунтов (табл.1. 2) , а также от уровня грунтовых вод.
Расчетная глубина промерзания определяется по формуле:
Н = пуНн,
где mt - коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен (табл. 1.3) ; H - нормативная глубина промерзания.
При наличии супесей и мелких или пылеватых песков нормативная глубина промерзания должна быть увеличена на 20%.
Уровень подземных грунтовых вод оказывает существенное влияние на поведение многих грунтов. Более хорошими условиями для будущего фундамента будут такие, при которых глубина промерзания меньше глубины грунтовых вод. И наоборот, тяжелыми условиями считаются, когда глубина промерзания больше глубины грунтовых вод.
В последнем случае по мере усиления морозов будет увеличиваться и глубина промерзания грунта. Когда глубина промерзания достигнет уровня подземных грунтовых вод, начнется их превращение в лед, а вместе с этим и вспучивание, «вздутие» грунта. Это неприятное явление усугубляется еще и тем, что вспучивание практически никогда не бывает равномерным и в разных местах фундамента подъем грунта будет неодинаковым. Следствие
Таблица 1.2
Глубина заложения фундамента с учетом возможности пучения грунтов при промерзании
Вид грунтов
Расстояние планировки до уровня грунтовых вод
Глубина заложения фундамента от поверхности планировки
1. Скальные и крупнообломочные грунты, а также пески гравелистые, крупные и средней крупности
Любое
Не зависит от расчетной глубины промерзания
2. Пески мелкие и пылеватые, а также супеси твердой консистенции
Превышает расчетную глубину промерзания на 2 м и более
То же
3. Пески мелкие и пылеватые, супеси независимо от консистенции
Менее расчетной глубины промерзания или превышает ее менее чем на 2 м
Не менее расчетной глубины промер з а ния
4. Супеси пластичной консистенции
Любое
То же
5. Суглинки и глины мягкопластичной консист енции
То же
Может назначаться менее расчетной глубины промерзания при условии защиты грунтов основания от увлажнения поверхностными водами, а также от промерзания в период строительства и эксплуатации
6. Суглинки и глины текучепластичной и текучей консистенции
Любое
Не менее расчетной глубины промер з а ния
7. Суглинки и глины независимо от их консист енции
Менее расчетной глубины промерзания или превышает ее менее чем на 2 м
То же
Примечания: 1. Глубина заложения фундаментов внутренних стен отапливаемых зданий назначается без учета промерзания грунтов при условии защиты грунтов от увлажнения и промерзания с начала строительства до ввода сооружения в эксплуатацию. 2. Глубина заложения фундаментов стен зданий с неотапливаемыми подвалами при грунтах, указанных в п. 3, 4, 5-7 данной таблицы, назначается, считая от пола здания, равной половине расчетной глубины промерзания.
Таблица 1.3
Коэффициент влияния теплового режима здания mtна промерзание грунтов
Тепловой режим здания конструкции пола
Регулярно отапливаемые здания с расчетной температурой воздуха в помещении не ниже 10 °С и полами:
Прочие здания (в том числе и с неотапливаемым техническим подполем)
на грунте
на лагах по грунту
на балках
Значения коэффициента mt
0,7
0,8
0,9
1
Примечание: Глубина промерзания грунтов при теплозащите определяется специальным расчетом.
этого - перекос фундамента, перераспределение нагрузок в нем и во всем строении, возможность появления трещин как в самом фундаменте, так и в стенах дома. Если бы процесс шел равномерно, то проблеме вспучивания грунта не нужно было бы уделять столько внимания: зимой дом равномерно бы приподнялся, а весной равномерно бы опустился. К сожалению, это недостижимо и по ряду других причин.
Если уровень грунтовых вод высок и их захватывает глубина промерзания, можно выбрать один из способов выхода из такой ситуации:
- учесть этот фактор при выборе надежного варианта фундамента, не считаясь с увеличением сметы на строительство;
- провести работы, если это возможно, для гарантированного понижения уровня грунтовых вод (осушение, прокладка дренажных канав и т.д.) .
Устройство фундаментов на водоносных песчаных или супесчаных грунтах со свободным горизонтом воды выше отметки подошвы должно сопровождаться понижением уровня грунтовых вод до отметки на 0,5 м ниже дна котлована.
НАГРУЗКА НА ФУНДАМЕНТЫ
При устройстве фундаментов важное значение имеют не только правильный выбор глубины заложения, точность разбивочных работ, соблюдение технологических процессов устройства фундамента, но и верный выбор самой конструкции фундамента с учетом всех нагрузок от здания и способности грунта оснований выдерживать эти нагрузки без существенных деформаций. Расчеты и вариантное конструирование фундаментов с учетом применения различных материалов и способов их возведения позволят найти оптимальное техническое решение, при котором фундаменты будут более надежными и экономичными .
Грамотный расчет оснований и фундаментов может выполнить только специалист, так как для этого надо уметь использовать данные инженерно-геологических изысканий, нормативы, коэффициенты, величины и другие показатели, а также методики расчета, принятые в СНиПах.
При расчете основания здания первостепенное значение имеют вид и сопротивляемость грунта. Для предварительного назначения размеров фундамента используются данные нормативного давления на основания (табл. 1.4) . Эти данные могут быть использованы при ширине фундаментов от 0,6 до 1,5 м и глубине заложения от 1 до 2,5 м, считая от отметки природного рельефа или от отметки планировки до отметки основания.
Таблица 1.4
Нормативное давление на основание
Вид грунта
кПа
R , кгс/м
Крупнообломочные грунты, щебень, гравий
500-600
5,06,0
Пески гравелистые и крупные
350-450
3,5-4,5
Пески средней крупности
250-350
2,5-3,5
Пески мелкие и пылеватые плотные
200-300
2,03,0
Пески средней плотности
100-200
1,02,0
Супеси твердые и пластичные
200-300
2,03,0
Суглинки твердые и пластичные
100-300
1,03,0
Глины твердые
300-600
3,06,0
Глины пластичные
100-300
1,03,0
При глубине заложения фундамента более 2,5 м нормативное давление увеличивается, а при менее 1 м - уменьшается. Общее давление на грунт при определенной опорной площади фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта. Общая нагрузка, действующая на 1-2 м2 подошвы ленточного фундамента, будет равна сумме нагрузок от снега, крыши, всех перекрытий и перегородок, оборудования в доме, наружной стены дома и самого фундамента. Ориентировочную общую нагрузку можно вычислить с помощью табл. 1.5-1.7.
Таблица 1.5
Нагрузка от 1 м2 стены
Материал стен
кПа
кгс/м2
Деревянные каркасно-панельные, толщиной 150 мм с минераловатным утеплителем
0,3-0,5
30-50
Брусчатые и бревенчатые, толщиной 140-180 мм
0,7-1,0
70-100
Из опилкобетона, тсдщиной 350 мм
3,04,0
300-400
Из керамзитобетона, толщиной 350 мм
4,05,0
400-500
Из шлакобетона, толщиной 400 мм
5,06,0
500-600
Из эффективного кирпича, толщиной, мм: 380 510 640
5,06,0 6,5-7,5 8,09,0
500-600 650-750 800—900
Из полнотелого кирпича сплошной кладки, толщиной, мм: 250 380 510
4,5-5,0 7,О7,5 9,010,0
450-500 700-7501 900- 1000
Таблица 1.6 Нагрузка от 1 м2 перекрытий пролетом до 4, 5 м
Тип перекрытия
кПа
кгс/м2
Чердачное по деревянным балкам,
плотностью, кг/м3, не более:
200
0,7-1
70-100
300
1-1,5
100-150
500
1,5-2
150-200
Цокольное по деревянным балкам,
плотностью, кг/м3, не более:
200
1-1,5
100-150
300
1,5-2,0
150-200
500
2,03,0
200-300
Цокольное железобетонное
3,05,0
300-500
Таблица 1. Нагрузка от 1 м2 горизонтальной проекции крыш
Тип кровли
кПа
кгс/м2
Покрытие рубероидом
0,3-0,5
30-50
Кераммеская черепица при уклоне 45°
0,6-0,8
60-80
Кровельная сталь при уклоне 27 °
0,2-0,3
20-30
К основаниям из просадочных грунтов относятся глинистые грунты, которые, находясь в напряженном состоянии под действием нагрузки от сооружения или собственного веса при замачивании, дают дополнительную деформацию - просадку. Критерием для отнесения глинистых грунтов к просадочным является степень влажности (доля заполнения пор водой) < 0, 6.
В зависимости от возможности просадочных явлений под действием собственного веса грунтовые условия на участке строительства подразделяются на два типа:
I - грунтовые условия, при которых просадка от собственного веса не превышает 5 см;
II - грунтовые условия, при которых возможна просадка от собственного веса более 5 см.
Тип грунтовых условий устанавливается в процессе инженерно-геологических изысканий. Устойчивость дома и других сооружений можно обеспечить следующими мероприятиями:
- устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей или части просадочной толщи;
- заглубление фундамента;
- устройство свайных фундаментов;
- применение водозащитных и конструктивных мероприятий .
Выбор мероприятия производится на основе технико-экономических расчетов.
К основаниям из набухающих грунтов относят глинистые грунты, которые при замачивании в напряженном состоянии увеличиваются в объеме. Для набухающих грунтов характерны, кроме того, большая пластичность, низкий предел усадки и природная влажность.
Выбор глубины заложения и назначения размеров фундаментов, возводимых на набухающих грунтах, можно производить без учета их набухающих свойств, т.е. как для обычных грунтов в природном состоянии.
Для противодействия набуханию грунтов можно увеличить давление на эти грунты против нормативов.
Устойчивость дома и других сооружений при возможных деформациях основания от набухания, превышающих допустимые, обеспечивается за счет соответствующей подготовки основания:
- устранения набухающих свойств грунтов в пределах всей или части толщи путем предварительного замачивания;
- применения компенсирующих грунтовых подушек;
- замены (полной или частичной) слоя набухающего грунта другим грунтом.
Компенсирующие подушки применяются с целью уменьшения величины неравномерности подъема ленточных фундаментов при замачивании основания из набухающих грунтов. Располагают компенсирующие подушки на кровле или в пределах слоя набухающих грунтов таким образом, чтобы глубина заложения фундамента H была минимальной, но не менее 0,5 м, минимальное давление на грунт - не менее 1 кгс/см2.
Размеры подушек назначаются в зависимости от ширины ленточного фундамента.
Таблица 1.8 Размеры компенсирующих подушек
Ширина фундамента а, м
h
с
б, град.
0,5<а<0,7
1,2а
0,7а
75-90
0,7<а<1
1,15а
0,5а
75-90
1<а<1,2
1,1а
0,4а
75-90
Примечание: В том случае, если между стенками траншеи и подушкой будет находиться насыпной грунт, шфина подупжи назначается из условия обеспечения устойчивости под действием горизонтальных напряжений.
Для устройства подушки рекомендуется применять несвязные грунты. Плотность уплотненного грунта подушки должна быть не менее: для мелких песков - 1,60 т/м3, для средних и крупных -1,55 т/м3. Нижний слой подушки толщиной от 15 до 30 см не уплотняется.
Действие сил пучения грунта на фундаменты
Давление по подошве фундамента назначается в зависимости от вида грунта подушки и его состояния.
Нагрузка на основание, особенно из просадочных и набухающих грунтов, должна быть сбалансирована, иначе при фактической нагрузке, превышающей нормативную вследствие замачивания грунта, произойдет дополнительная просадка фундамента, а при недогрузке силам пучения легко будет вытолкнуть вверх фундамент. Рассмотрим, как действуют эти силы на фундамент.
Самыми опасными силами, действующими на фундаменты малоэтажных домов, являются силы морозного пучения. В тяжелых пучинистых грунтах, где присутствуют водонасыщенные глины, суглинки, супеси, вертикальные перемещения поверхностного слоя грунта при его промерзании на 1-1,5 м составляют 10-15 м.
Результаты действия сил морозного пучения -подъем фундамента, а затем при неравномерном оттаивании грунта - его опускание - приводят к деформации фундамента, перекосу стен дома и появлению различных дефектов: трещины в стенах, смещение балок, крыльца, отслоение обоев, заклинивание дверей и т.д. Избежать отрицательного воздействия сил морозного пучения не всегда удается только за счет увеличения глубины заложения фундамента ниже уровня промерзания. Силы пучения действуют не только снизу, но и сбоку. Эти касательные силы способны накренить фундамент, что приведет к изменению направления действующих вертикально сил, внецентренному давлению от нагрузок дома и дополнительным неприятным последствиям.
Опорная поверхность фундамента - подошва - расположена выше уровня промерзания грунта и на нее действуют силы пучения В. Такое устройство фундамента можно считать неправильным. Фундаменты, расположенные ниже уровня промерзания грунта , не испытывают давления мерзлого грунта снизу, но боковое давление остается значительным и может привести к смещению фундамента. Для нейтрализации этих сил, кроме мероприятий, описанных при рассмотрении свойств просадочных и набухающих грунтов, рекомендуется:
- возводить монолитные железобетонные фундаменты на песчаной подушке;
- основание фундамента выполнить уширенным, в виде опорной площади;
- вертикальные стенки, выполненные из штучных изделий, делать сужающимися к верхней части фундамента ;
- утеплять поверхностный слой грунта (под отмосткой) вокруг фундамента.
