Понятие об основаниях, их классификация.
Геологические породы, залегающие в верхних слоях земной коры, используемые в строительных целях, называются грунтами. Грунты представляют собой скопление частиц (зерен) различной величины, между которыми находятся поры (пустоты). Эти частицы образуют так называемый скелет грунта.
Грунты, непосредственно воспринимающие нагрузки от здания или сооружения, называются основанием.
Основание, способное воспринять нагрузку от здания или сооружения без укрепления (усиления) грунтов, называется естественным основанием.
Основание, способное воспринять нагрузку от здания или сооружения только после проведения мер по укреплению (усилению) грунтов, называется искусственным основанием.
Естественные основания. Грунты, используемые в качестве естественных оснований здании и сооружений, подразделяются в зависимости от геологического происхождения, минералогического состава, физико-механических показателей на скальные и нескальные.
К нескальным относятся: крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Скальные грунтыпредставляют собой вулканические (изверженные), метаморфические и осадочные породы с жесткой связью между зернами минералов (спаянные и сцементированные). Такие грунты залегают в виде сплошного массива или трещиноватого слоя, образующего подобие сухой кладки. К скальным грунтам относятся граниты, базальты, песчаники, известняки. Под нагрузкой от здания и сооружения они (за исключением сильно выветрившихся рухляков или водорастворимых скальных пород) не сжимаются и являются наиболее прочными основаниями зданий и сооружений. К водорастворимым и размягчаемым в воде скалистым породам относятся гипсы, ангидриты, глинистые сланцы, некоторые виды песчаников.
Крупнообломочные грунты представляют собой несцементированные скальные грунты, содержащие более 50% по весу обломков кристаллических или осадочных пород. Такие грунты из крепких
неразмываемых пород слабо сжимаются под нагрузкой и также могут быть прочным основанием для зданий и сооружений.
В зависимости от крупности зерен различаются: щебенистые (гравелистые) крупнообломочные грунты при преобладании щебня или гравия крупнее 10 мми дресвяные — при преобладании щебня или гравия от 2 до 10 мм.
Песчаныегрунты, сыпучие в сухом виде, состоят преимущественно из округленных частиц (зерен) крупностью от 0,05 до 2 мм, являющихся конечным результатом распада каменных пород. В зависимости от крупности частиц пески разделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. В зависимости от плотности сложения или пористости песчаные грунты бывают плотные, средней плотности и рыхлые. В зависимости от степени влажности или степени заполнения объема пород различают песчаные грунты маловлажные, влажные и насыщенные водой. Увлажнение песчаных грунтов снижает их несущую способность, причем снижение тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта увлажнение мелкозернистых и пылеватых песков с глинистыми и илистыми примесями. Эти грунты в водонасыщенном состоянии становятся текучими, и потому их называют плывунами; возведение здании па таких грунтах создает значительные затруднения. Песчаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков малосжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.
Глинистые грунты — результат разложения горных пород с преимущественным содержанием глинозема — относят к связным грунтам, так как частицы их скреплены силами внутреннего сцепления. Они состоят из мельчайших минеральных плоских частиц размером менее 0,005 мми толщиной менее 0,001 мм,а также песка и иногда растительных остатков. Эти примеси уменьшают водонепроницаемость глины и ее прочность. В зависимости от количества содержащихся в грунте глинистых частиц и песка, а также пластичности грунта различают супеси, суглинки и глины. Глинистые грунты пластичны, то есть, способны при добавке воды переходить из твердого состояния в пластичное, а при дальнейшем увлажнении — в текучее состояние. От степени влажности существенно зависят строительные свойства глинистых грунтов. В сухом и маловлажном состоянии они служат хорошим основанием для зданий Iи сооружений, но несущая их способность в разжиженном состоянии значительно снижается.
Расширение воды при замерзании в порах глинистых грунтов основания вызывает увеличение объема грунта, или, как говорят, «пучение». При замерзании влажных глинистых грунтов основания силы пучения бывают настолько велики, что они "приподнимают фундаменты и могут явиться причиной деформации фундаментов и здания. Поэтому глубиназаложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, не менее глубины промерзания грунта.
Среди глинистых грунтов особые группы составляют илы, просадочные инабухающие грунты. Илы малопригодны в качестве оснований. Просадочные лессовые и лессовидные грунты при замачивании водой дают под действием внешней нагрузки дополнительные осадки, что может привести к разрушению сооружений. При проектировании зданий и сооружений на таких грунтах необходимо выполнять специальные мероприятия по их укреплению.
Качество основания в значительной мере зависит от однородности слагающих его грунтов и горизонтальности напластований. Неоднородность грунтов особенно опасна при насыпных основаниях, которые могут иметь различный состав, плотность и сложение. Возможность применения насыпных грунтов в качестве оснований должна решаться в каждом случае конкретно. Наклонные напластования могут привести к оползням при загружении пластов дополнительной массой здания или сооружения.
Особым случаем проектирования оснований является устройство его над подрабатываемыми территориями — над шахтами, рудниками пли естественными пещерами, когда при нагружении возможны просадки пластов, лежащих над выработками.
Грунтовые воды, заполняющие поры грунтов основания, влияют на выбор типов фундаментов, их размеры, глубину заложения, гидроизоляцию и другие водозащитные мероприятия. Для проектирования основания необходимо иметь данные об уровне грунтовых вод, его возможном изменении: сезонном, многолетнем, в результате строительства и эксплуатации зданий и сооружений; о характере этих вод — их подвижности, химическом составе, напоре и т. д.
Изменение уровня грунтовых вод может иметь своим последствием изменение структуры грунта, его набухание, пучение, размывание и т.д. Следует помнить, что увлажнение основания может быть не только в пределах уровня грунтовых вод, но и значительно выше— в результате капиллярного поднятия воды. При диаметре капилляров 0,005 мм высота поднятия воды может составить: для мелких песков—0,1—0,5 м, пылеватых—0,5— 2 м, суглинков—5—15 м, для глин —5—50 м.
Подвижные воды при соответствующих скоростях перемещения могут размывать грунт основания или материал фундамента. Агрессивные примеси в воде могут разрушительно действовать и на грунт, и на фундамент. Напорные грунтовые воды затрудняют выполнение гидроизоляции фундаментов, осложняют эксплуатацию подвалов.
Промерзание грунтов. На обширных территориях нашей страны верхние слои грунта значительную часть года имеют отрицательную температуру. Грунты, хотя бы часть воды и которых находится в замерзшем состоянии, называют мерзлыми. Различают сезонно-мерзлые и вечномерзлые грунты. Сезонномерзлые промерзают на определенную глубину только в зимний период. Вечномерзлые оттаивают на определенную глубину в летний период. Глубина сезонного промерзания зависит от климатических условий и вида грунта. Можно также определить эту величину по формулам, приводимым в курсе «Основания и фундаменты».
Искусственные основания.Несущую способность слабого грунта можно увеличить путем: уплотнения, закрепления или замены слабого грунта на более прочный (рис. 4.1). Уплотняют грунты: укаткой, трамбованием, вибрацией и устройством грунтовых свай.
Рис.4.1. Грунтовые искусственные основания:
а – грунтовая свая; б – песчаная подушка; в – усиление грунта
силикатизацией (цементизацией); 1 – слабый грунт; 2 – песчаная
подушка; 3- зона уплотненного грунта силикатизацией
(цементизацией); 4 – инъекторы d = 20-40 мм; 5 – фундамент.
Укатка грунта катками уплотняет его на 15—20 см, а трамбование падающими механическими трамбовками — на глубину до 1,5—2,0 м, причем в последнем случае несущая способность увеличивается до 30%.
Крупнообломочные и крупнозернистые песчаные грунты хорошо уплотняются поверхностными вибраторами. Укатка, трамбование и вибрирование относятся к поверхностному уплотнению грунтов.
Глубинное уплотнение грунтов производят глубинными вибраторами или с помощью грунтовых свай (путем заполнения заготовленных скважин песком или грунтом с послойным трамбованием его до необходимой плотности). Длина свай может достигать 15 м.
Закрепление грунтов производят: силикатизацией, цементированием илибитумизацией — путем нагнетания по трубам в грунт соответствующих эмульсий. Применение одного из трех указанных способов определяется видом грунтов.
Силикатизацией (нагнетание в грунт через трубы жидкого стекла и хлористого кальция) можно закрепить песчаные пылеватые грунты, плывуны.
Цементированием (нагнетание в грунт цементного молока) закрепляют гравелисгые крупно- и среднезернистые грунты.
Битумизация применяется для закрепления сильно трещиноватых скальных и песчаных пород и песчаных грунтов. После затвердевания эмульсии в порах грунта происходит его окаменение.
Замена слабого грунта более плотным производится устройством песчаных или щебеночных подушек. Песчаная подушка выполняется из среднезернистого или крупнозернистого песка с увлажнением и уплотнением его при укладке. Подушка распределяет давление от фундамента на большую площадь слабого грунта и уменьшает его за счет своей упругости.
Термический способ укрепления грунтасостоит в нагнетании в толщу грунта под давлением через трубы воздуха, нагретого до 600-800° С, или в сжигании горючих продуктов, подаваемых в герметически закрытую скважину под давлением. Термический способ глубинного уплотнения грунта применяют для устранения просадочных свойств лёссовых грунтов па глубину 10—15 м.Обожженный грунт образует фильтрующий слой, сквозь который вода может проникнуть через толщу просадочного грунта на устойчивый непросадочный грунт. Обожженный грунт приобретает свойства керамического тела, не намокает и не набухает.