1 ЛЕКЦИЯ 2 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

ЛЕКЦИЯ 2
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ОБ ОСНОВАНИИ
Верхние слои земной коры, на которых возводится здание, называются грунтами.
Толща грунтов, расположенная непосредственно под зданием и воспринимающая
давление от него, называется основанием.
Правильный выбор основания имеет очень важное значение для обеспечения
прочности и сохранности здания. Самая тщательная разработка конструкции здания
и хорошее качество строительных работ не дадут результатов, если грунт не сможет
выдержать приходящейся на него нагрузки. Поэтому определение механических
свойств грунта, его устойчивости и пригодности для возведения на нем здания
требует исключительного внимания.
Большое значение в практике современного строительства имеет механика
грунтов — наука, получившая развитие благодаря работам Н. М. Герсеванова, Г.
И. Покровского, Н. А. Цитовича, Н. Н. Маслова и др. Эта наука изучает свойства
грунтов и законы образования осадок под действием нагрузок на грунт.
Грунты, как и всякое тело, под действием нагрузки сжимаются, вследствие чего
здание неизбежно дает осадку. Если осадка грунта незначительна и происходит
равномерно под всем зданием, то она не нарушает устойчивости и прочности
здания.
1
Опасность представляют большие и неравномерные осадки. Они могут привести к
появлению трещин в стенах здания, а иногда и к полному его разрушению.
Чтобы обеспечить устойчивость и сохранность здания, его фундаменты обычно
заглубляют до слоев грунта, которые уплотнились под действием веса
вышележащего грунта, имеют необходимую прочность, обладают постоянством
строения и свойством равномерной сжимаемости. Верхние слои грунта, залегающие
непосредственно у поверхности, не могут служить надежным основанием для
здания, так как они ослаблены влиянием атмосферных воздействий (воды),
наличием органических примесей (корней растений, мусора, щепы) разрыхлены и
неравномерно сжимаются под нагрузкой. При постройке зданий этот верхний слой
грунта всегда удаляется.
Основания зданий бывают двух видов—естественные и искусственные.
Если грунт после снятия его верхних слоев до глубины заложения фундамента
имеет в своем естественном состоянии достаточную прочность для восприятия
давления от возводимого на нем здания, то такой грунт называют естественным
основанием.
Если же грунт на глубине заложения фундаментов слабый, его искусственно
укрепляют и фундамент закладывают на искусственно укрепленном грунте, в этом
случае основание называют искусственным.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ
Естественные основания являются наиболее распространенными, а также наиболее
простыми и дешевыми основаниями.
Грунт, принятый за естественное основание, должен удовлетворять следующим
требованиям: а) иметь достаточную прочность; б) иметь небольшую и равномерную
2
сжимаемость; в) хорошо сопротивляться действию грунтовых вод; г) не подвергаться
изменениям при промерзании (отсутствие пучения); д) иметь достаточную толщину
(мощность) слоя; е) обладать неподвижностью.
Под прочностью грунта понимают его способность сопротивляться
разрушению от действия нагрузки. Прочность грунта в значительной степени
зависит от его строения, твердости и плотности.
Большое влияние на прочность грунта основания оказывают грунтовые воды. Влага,
как правило, уменьшает прочность грунта. При большой скорости движения воды
возможно вымывание грунта из-под подошвы фундамента. В этом случае должны
быть приняты меры против размыва грунта, например, путем устройства шпунтового
ограждения. Кроме механического вымывания частиц грунта грунтовая вода может
растворять некоторые породы, содержащиеся в грунте (например, гипс), т. е.
оказывать химическое воздействие. Одним из средств борьбы с этим явлением
может быть искусственное понижение уровня грунтовых вод.
С влажностью грунта связано также его свойство изменять свой объем при
изменении температуры. Если грунт, пропитанный водой, поступившей в его поры из
нижележащих водоносных слоев, замерзает, то вода при превращении в лед
расширяется и выпучивает грунт кверху. Весной при оттаивании грунт оседает.
Пучение и оседание неравномерно и поэтому может быть причиной появления
трещин и других изменений первоначального состояния конструкций здания.
Величина пучения грунта тем больше, чем ближе к нему уровень грунтовых вод и
чем меньше величина зерен грунта. При этих условиях, способствующих пучению
грунта, основание следует располагать ниже уровня промерзания.
В некоторых случаях устойчивость основания зависит от толщины (мощности) слоя
грунта, на который опирается фундамент. Этот слой должен иметь достаточную
толщину для того, чтобы не могло произойти его проседание, если нижележащий
(подстилающий) грунт является более слабым. Чем больше толщина несущего слоя
грунта и чем, следовательно, глубже расположен подстилающий грунт, тем меньшее
давление на него передается.
Незыблемость грунта в пределах основания предполагает неподвижность всего
слоя. Однако бывают случаи при наклонном расположении слоев грунта, когда
возможно скольжение одного слоя по другому, особенно если нижний наклонный
слой глинистый и смачивается водой. Такое скольжение (оползень) может увлечь
здание и привести его к разрушению.
Поэтому при производстве инженерно-геологических исследований строительной
площадки необходимо всегда в первую очередь выявить характер грунтов, а также
изучить местные условия, которые могут вызвать нарушение устойчивости грунта.
3
ВИДЫ ГРУНТОВ И ИХ СВОЙСТВА
Рассмотрим основные виды грунтов с точки зрения строительных требований,
предъявляемых к естественным основаниям.
Скалистые грунты — плотные породы, состоящие из частиц, крепко связанных
между собой. Они залегают в виде сплошного массива, водоустойчивы и
практически несжимаемы (например, граниты, диориты, кварциты, песчаники,
известняки). Эти грунты, при отсутствии трещин и пустот, являются наиболее
прочными и надежными основаниями для зданий.
Полускальные грунты — породы, состоящие из частиц, меньше связанных между
собой, способные к уплотнению под нагрузкой, например, мергели, окремненная
глина и неводостойкие породы, как-то: гипс, каменная соль. Оценка несущей
способности полускальных грунтов должна производиться после тщательного
анализа особенностей их и условий, в которых они будут находиться после
постройки здания.
Крупнообломочные грунты — несвязанные залежи обломков скальных пород, с
преобладанием обломков размерами свыше 2 мм. К таким грунтам относятся
щебень и галька (при окатанной форме) с преобладанием частиц крупнее 10 мм,
дресва и гравий (при окатанной форме) с преобладанием частиц крупнее 2 мм.
Крупнообломочные породы, если они подстилаются плотным грунтом и не
подвержены размыванию, являются надежным основанием. Наличие глинистых
прослоек сильно снижает их несущую способность.
Песчаные грунты—состоят из частиц крупностью от 0,1 до 2 мм. В зависимости от
крупности частиц различают пески гравелистые, крупные, средней крупности,
мелкие и пылеватые. Чем крупнее и чище песок, тем большую нагрузку он может
выдержать. Мелкий и пылеватый песок представляет менее надежное основание.
Несущая способность песка в значительной степени зависит от его плотности и
влажности. Маловлажный плотный и средней плотности песок при достаточной
мощности слоя является хорошим основанием. Сжимаемость песка невелика, но
скорость уплотнения под нагрузкой значительна. Ввиду этого сооружения,
основанные на песке, быстро прекращают осадку. Песок имеет значительную
водопроницаемость. В связи с этим пески гравелистые, крупные и средней
крупности при замерзании не обладают свойствам пучения, чем выгодно отличаются
от грунтов глинистых и других грунтов с мелкими частицами.
Глинистые грунты представляют собой породы, состоящие из чрезвычайно
малых частиц крупностью менее 0,005 мм. Значительная часть этих частиц имеет
гибкую чешуйчатую форму. Такая форма частиц, упругость и малый размер их
обусловливают физические свойства глинистых грунтов: большую пористость,
связность, пластичность, большую сжимаемость, уменьшение объема при
высыхании и увеличение при увлажнении. Ввиду ничтожного размера пор между
частицами глины, процесс ее осадки под нагрузкой и высыхание происходят
4
медленно. При этом необходимо иметь в виду, что глина вследствие большой
пористости сильно поглощает воду и на известной стадии насыщения становится
водонепроницаемой. Так как в порах глины может содержаться большое количество
воды, то при замерзании глины происходит ее пучение. С этим свойством глинистых
грунтов приходится считаться и в таких случаях при возведений зданий закладывать
фундамент ниже уровня промерзания.
Сухая твердая глина обладает довольно большой прочностью и является хорошим
основанием. По мере увеличения влажности, несущая способность глины
снижается. В пластичном состоянии глина еще. может служить основанием, но при
разжижении использование ее в качестве основания нежелательно. Во всяком
случае при необходимости возведения фундамента на таком грунте должны быть
приняты все меры к его осушению.
Самыми опасными проводниками воды в глине являются песчаные прослойки,
которые иногда в ней залегают. Такие так называемые ленточные глины с
песчаными прослойками легко размокают, малоустойчивы и могут выдерживать
лишь незначительную нагрузку.
Суглинки и супеси представляют собой смесь песка и глинистых частиц. В
суглинках бывает от 10 до 30% глинистых частиц, в супесях—от 3 до 10%. По своим
свойствам эти грунты занимают промежуточное положение между глиной и песком.
Лёсс относится к группе суглинков и глин, имеющих большое содержание
пылеватых частиц. Характерным его признаком является наличие больших пор
(макропор) в виде вертикальных канальцев, благодаря которым кусок лёсса
обламывается, сохраняя вертикальные стенки. В сухом состоянии лёсс может
служить хорошим основанием, но при замачивании лёсс под нагрузкой сильно
сжимается. Поэтому его относят к так называемым просадочным грунтам. При
выборе лёсса в качестве основания следует проявлять большую осторожность,
принимая меры, устраняющие возможность замачивания основания. В противном
случае сооружение, построенное на лёссовом основании, может получить
значительные осадки, деформации и разрушиться.
Плывуны — разжиженные водой пылевато-песчаные грунты с примесью
мельчайших глинистых частиц. Уже при 15%-ной влажности плывун становится
подвижным и течет как жидкость. Наличие плывунов обычно сильно затрудняет
работы по отрывке котлованов. Плывуны вследствие своей подвижности и очень
небольшой несущей способности, как правило, непригодны для использования в
качестве оснований.
Близки к плывунам по своему составу илистые грунты, которые отличаются от
них лишь примесью органических частиц, придающих им свойство большей
сжимаемости.
5
Растительный грунт, торф, насыпной грунт — крайне неоднородны по
своему составу, рыхлы, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью и
поэтому в качестве естественных оснований не применяются.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУНТОВ
Чтобы выбрать в качестве основания надежный грунт, который обеспечил бы
устойчивость и сохранность возводимого здания, необходимо до начала
строительства произвести на месте будущей постройки исследование грунтов.
Под исследованием грунтов следует понимать выполнение таких работ, при помощи
которых имеется возможность всесторонне оценить грунтовые условия участка,
отведенного под строительство. В частности, исследование грунтов позволяет
выяснить геологическое строение участка, расположение слоев грунта, их мощность,
положение уровня грунтовых вод, физические и механические свойства грунтов,
устойчивость и вероятную осадку основания под нагрузкой от здания.
Способы исследования грунтов. Исследование грунтов на строительной
площадке производится двумя способами: шурфованием, т. е. устройством
открытых колодцев, и бурением, т. е. устройством скважин малого в сравнении с
шурфами поперечного сечения.
Бурение является наиболее дешевым и быстрым способом исследования грунтов.
При помощи специального бурового инструмента в толще грунта делают
цилиндрические отверстия — буровые скважины. Образцы грунтов отбираются из
скважины через каждые 0,5 м. При проходке скважины обращается особое внимание
на выявление всех водоносных горизонтов.
Количество буровых скважин назначается в зависимости от размеров будущего
здания, от его назначения, а также от степени однородности грунтов. Обычно
расположение скважин в плане образует правильные трех- или четырехугольные
фигуры (сетку).
Другим способом, позволяющим исследовать грунты, является шурфование.
Шурфом называют колодец круглого или прямоугольного сечения. В устойчивых
грунтах, не требующих крепления стенок шурфа, последнему придают круглую
форму. Шурфы прямоугольного сечения применяются при сыпучих грунтах,
требующих крепления стенок. Размеры шурфа в плане должны быть возможно
меньшими, допускающими возможность производства работ по его отрывке.
По сравнению с бурением шурфование является более надежным способом
исследования грунтов. В шурфе можно непосредственно наблюдать грунты в том
виде и состоянии, в каком они залегают в натуре.
К недостаткам шурфования следует отнести большой объем земляных работ и их
сложность при глубоких шурфах. При наличии грунтовых вод требуется водоотлив,
6
сильно удорожающий работы. Поэтому шурфование в настоящее время
применяется редко, в основном при проведении работ по обследованию
существующих фундаментов.
Составление геологических разрезов. Данные о результатах бурения и
шурфования заносятся в специальные журналы, которые служат материалом для
составления чертежей разрезов или так называемых колонок скважин и шурфов.
Инженерно-геологическая колонка
На основании колонок можно судить о расположении слоев грунтов только в местах
проходки скважин или шурфов. Чтобы иметь представление о строении грунта в
пределах между скважинами или шурфами, колонки соединяют в геологический
профиль или, иначе говоря, делают вертикальный разрез грунтового массива. Для
этого вычерчивают в масштабе колонки скважин или шурфов, расположенных по
одной оси, и соединяют прямыми линиями границы однородных грунтов.
Геологический профиль дает полную картину геологического строения строительной
площадки и представляет основной материал для выбора основания.
7
Геолого-литологический разрез
РАБОТА ГРУНТА ПОД НАГРУЗКОЙ
Давление,
передаваемое
сооружением
на
поверхность
основания,
распространяется в глубину и ширину, постепенно уменьшаясь по мере удаления от
фундамента.
При определенных неблагоприятных обстоятельствах под действием нагрузки от
здания может наступить предельное состояние основания.
Под предельным состоянием в строительной технике понимают такое состояние
строительной конструкции или основания здания (сооружения), при котором они
перестают удовлетворять эксплуатационным требованиям (теряют способность
сопротивляться нагрузкам).
Примером предельных состояний основания могут служить:
- потеря прочности основания;
- потеря устойчивости основания;
- развитие больших и неравномерных осадок.
Наступление одного из видов предельных состояний может грозить катастрофой для
здания или сооружения.
8
Для того, чтобы предотвратить наступление предельных состояний, выполняется
расчет оснований. Расчет проводится по двум группам предельных состояний.
Расчет по первой группе предельных состояний – по несущей способности –
должен обеспечить прочность и устойчивость грунтов основания.
Расчет прочности выполняется исходя из условия
p   c  n  R
Здесь
p-
давление (напряжение) под подошвой фундамента от нагрузки,
коэффициент условий работы,
n
c
-
- коэффициент надежности по назначению
сооружения, R - характеристика прочности основания – некоторое предельное
сопротивление основания, выражаемое в единицах давления.
Величину R в расчетах по первой группе предельных состояний называют
расчетным сопротивлением грунтов основания сжатию.
Расчетное сопротивление грунта представляет собой условную величину,
характеризующую неибольшее напряжение в грунте при его сжатии втот момент,
когда зависимость «нагрузка – осадка» перестает быть линейной.
p   c  n  R
9
Устойчивость фундамента на сдвиг
по
подошве
(плоский
сдвиг)
обеспечивается выполнением условия
Q    c  n  QП ,
где Q - расчетная сдвигающая сила;
QП - предельная удерживающая
сила.
Расчет оснований по второй группе предельных состояний – по деформациям
– ограничивает осадки конструкций здания величинами, при которых не нарушается
нормальная эксплуатация здания.
Расчет выполняется из условия
S  S пред ,
где S - величина осадки основания, Sпред- предельно допустимая величина осадки
для данной конструкции
Бытовое и дополнительное давление. При рассмотрении вопроса
распределения давления в грунте необходимо различать два вида давления, а
именно: давление под действием веса вышележащих слоев грунта, так называемое
бытовое давление, и дополнительное давление, вызываемое нагрузкой от
сооружения.
Причиной осадки здания может быть только дополнительное давление, так как
осадка от бытового давления, действующего тысячелетиями, может считаться
законченной.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА СЖАТИЮ
Определение расчетного сопротивления грунта сжатию является довольно трудной
задачей, для решения которой требуются обстоятельные исследования основания.
Разнообразие физико-механических свойств грунта, сложность процессов,
происходящих в нем при сжатии, затрудняют решение этой задачи теоретическим
путем. Установлена эмпирическая зависимость между физико-механическими
свойствами грунта и его несущей способностью и выведены формулы, по которым
при помощи численных характеристик физико-механических свойств грунта,
10
полученных лабораторным способом, можно установить величину расчетного
сопротивления грунта.
Физическое
состояние
грунтов
характеризуют
три
основные
величины—
плотность грунта  , плотность твердых частиц  s и природная влажность w .
Плотность грунта  представляет собой отношение массы грунта, включая массу
воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. Плотность твердых частиц
грунта  s представляет собой отношение массы твердых частиц к их объему.
Природная влажность грунта w равна отношению массы воды, содержащейся в
грунте, к массе твердых частиц.
Через три основные физические характеристики грунта, определяемые опытным
путем, можно найти другие характеристики грунтов: плотность сухого грунта d ,
коэффициент пористости e , пористость n , степень влажности S r .
Для глинистых грунтов важными характеристиками, определяемыми опытным путем,
являются влажность на границе текучести wL и на границе пластичности w p . Через
две эти влажности устанавливается показатель пластичности глинистого грунта I p ,
величина которого от 0,01 до 0,07 включительно характерна для супесей, от 0,07 до
0,17 — для суглинков и более 0,17 — для глин.
Через влажности w , wL и w p устанавливается показатель текучести глинистых
грунтов I L , который позволяет классифицировать глинистые грунты на группы
твердых, пластичных и текучих.
К механическим характеристикам грунтов относятся:
- прочностные характеристики: удельное сцепление C , угол внутреннего трения 
- деформационные характеристики: коэффициент поперечного расширения  ,
сжимаемость  и модуль общей деформации грунта E .
В использовавшемся ранее в СССР методе расчета по допускаемым
напряжениям разрешалось для определения несущей способности основания
использовать таблицы допускаемого давления на грунт, составленных на основании
многолетнего опыта и данных о допущенном давлении на грунт в ранее построенных
сооружениях.
Например, были установлены следующие допускаемые давления на грунт при
глубине заложения фундамента 2,0 м:
1) сплошная скала — 1/7 от ее прочности на раздавливание;
2) скала трещиноватая — от 6 до 15 кг/см2,
3) крупнообломочные грунты—от 3 до 6 кг/см2;
11
4) пески — от 1,0 до 4,5 кг/см2, в зависимости от крупности частиц и влажности;
5) глинистые грунты — от 1,0 до 5,0 кг/см2, в зависимости от пористости и
влажности.
Эти значения и сейчас иногда используются для приближенных (прикидочных)
расчетов. Однако, при пользовании таблицами допускаемых давлений на грунт
необходимо иметь в виду, что краткие наименования грунтов, указанные в таблице,
не отражают все многообразие физико-механических свойств различных грунтов.
Поэтому формальное сходство наименования грунта основания и грунта, указанного
в таблице, еще далеко не означает, что данный грунт соответствует тому, который
указан в таблице, и что допускаемое на него давление такое же, как указано в
таблице.
При наличии под несущим слоем более слабого подстилающего грунта необходимо
произвести проверку, выдержит ли подстилающий слой передающуюся на него
нагрузку.
ИСКУССТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ
Для устройства грунтовых искусственных оснований улучшают качество слабого
грунта искусственным изменением его физико-механических свойств или заменой
его на некоторую глубину более прочным грунтом.
Простейшим видом грунтовых искусственных оснований являются песчаные
подушки. При устройстве песчаной подушки слабый грунт вынимается на некоторую
глубину и заменяется песком, укладываемым слоями толщиной 0,10—0,20 метра с
плотной трамбовкой. На песчаную подушку из крупного или среднезернистого
чистого песка можно допустить давление до 2,0—2,5 кг/см2.
К более сложным способам улучшения качества слабого грунта относятся
цементирование и силикатизация.
Цементирование осуществляется путем нагнетания в грунт под давлением жидкого
цементного раствора или цементного молока. После затвердевания раствора в
порах грунта его частицы связываются в камневидный массив. Цементный раствор
нагнетается по трубам, предварительно забитым в грунт. По мере нагнетания
раствора трубы из грунта извлекаются. Возможно цементирование лишь крупных и
среднезернистых песков. Грунты глинистые, суглинистые, пылеватые и другие
мелкозернистые цементированию почти не поддаются. В этих грунтах поры
настолько малы, что в них не могут проникнуть частицы цемента.
Способ силикатизации заключается в том, что по трубам нагнетают в грунт под
давлением сначала жидкое стекло, а затем раствор хлористого кальция. В
результате химической реакции происходит окаменение грунта. Силикатизация
применяется преимущественно в песчаных грунтах, причем силикатизации могут
подвергаться не только крупно- и среднезернистые пески, но и мелкозернистые.
12