Глава 15. Конструкции нулевого цикла

Понятия и терминология

К конструкциям нулевого цикла — относится часть сооружения ниже «нулевой» отметки здания, за которую условно принимают уровень чистого пола первого этажа.

Задачей конструкций нулевого цикла является восприятие нагрузок и распреде­ление давления от здания на основание.

Основные геометрические параметры фундаментных конструкций (рис. 15.1):

Отметка

— Обрез фундамента (сечение 1-1) — верхняя плоскость конструкции;

— Подошва фундамента (сечение 2- 2) нижняя плоскость фундамента, непосред­ственно опирающаяся на грунт;

— Глубина заложения фундамента — расстояние от отметки планировки террито­рии (Н) или от отметки естественного рельефа (Ь) до подошвы фундамента.

Могут быть варианты соотношений Н и И:

Н > Ь — в случае подсыпки;

Н < Ь — в случае срезки;

Н = Ь — в случае совпадения отметок планировки и естественного рельефа.

Основания и фундаменты в значительной степени определяют устойчивость и прочность сооружений.

Основание сооружения — толща грунтовых пластов, воспринимающая давление от фундаментов и дающая осадку под действием этого давления, так называемая, де­формируемая толща.

Различают два вида давлений:

Природное — от собственного веса пластов грунта, возрастающее по глубине ос­нования;

Дополнительное от здания (или сооружения)- уменьшающееся по глубине осно­вания за счет увеличения площади распределения давления. 256

Высота сжимаемой толщи основания — считается от отметки подошвы фунда­мента до отметки, на которой величина дополнительного давления уменьшается до значения 0,2 природного давления (Рдоп — 0,2Рпр).

Основания делятся на естественные и искусственные.

Естественные основания — толща грунта, залегающая под фундаментом и вос­принимающая нагрузку от здания.

Искусственные основания — грунты, не способные в пределах сжимаемой толщи, воспринять нагрузку от здания, несущую способность которых увеличивают, прибегая к специальным инженерным мероприятиям.

Основания

Для определения несущей способности и деформативности грунтов основания проводят инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания, предшествую­щие процессу проектирования и строительства. Цель исследования заключается в вы­явлении физических и механических свойств грунтов, расположения пластов и их мощ­ностей, уровня грунтовых вод, их химического состава и скорости движения.

Исследования проводят путем бурения или шурфования. Образцы фунта отбира­ют при каждом изменении пласта, но не реже чем через 0,5 м. По результатам развед­ки составляют схемы геологического строения площадки строительства (рис. 15.2), по которым устанавливается возможность использования основания в его естественном виде или необходимость проведения ряда мероприятий по его усилению.

К естественным основаниям предъявляют ряд требований:

-небольшая и равномерная сжимаемость;

-достаточная несущая способность;

-устойчивость к воздействию грунтовых вод;

-отсутствие «пучения» (пучение — это изменение объема грунта вследствие се­зонного промерзания и оттаивания);

-неподвижность.

Все фунты классифицируются на пять групп:

А — скальные; Б — крупнообломочные; В — песчаные; Г — глинистые; Д — особые грунты (лёссовые, вечномёрзлые, солончаковые).

В естественном состоянии между частицами грунта существуют поры, размеры которых уменьшаются под действием нагрузок, что приводит к уплотнению, сжатию пластов основания и их осадки.

Скальные грунты — практически несжимаемы, не подвержены пучению и поэто­му являются прекрасным основанием под здания, но трудны в разработке.

Крупнообломочные грунты — так же мало сжимаемы, водоустойчивы и обладают хорошей несущей способностью.

Песчаные грунты — могут воспринимать достаточно большое давление. Их свой­ства зависят от размера частиц (диаметром от 0,05 до 2,0 мм.) структурной массы и подразделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые.

ГЬавелистые, крупные и средней крупности пески являются хорошим основани­ем, под нагрузкой быстро осаживаются и при замерзании не вспучиваются.

Мелкие и пылеватые пески подвержены воздействиям фунтовых вод, могут при­обретать свойство текучести.

Пылеватые пески — в водонасыщенном состоянии приобретают свойство плаву­чести.

?0 -10507

5 w

I

I »,

¦4

< Hi i

— 14

^СЫПноИ грунт

Ns.-гэ

Frs. se

IK. s~-f

I7B. T2.

Рис. 15.2 Геологическое строение площадки строительства: а — план площадки с нанесением схемы расположения скважин; 6 — геологический разрез по линии III — III

Глинистые грунты — в зависимости от степени увлажнения изменяют свою несу­щую способность. В сухом и маловлажном состоянии хорошее основание. Незначи­тельно и медленно деформирующиеся под действием нагрузок. При увлажнении глини­стых грунтов их несущая способность снижается, и они из твердого могут переходить в пластичное состояние. Вспучивание при замерзании характерно для всех глинистых фунтов.

Суглинки — это глинистые грунты с примесями песка в различных пропорциях.

Лёссовидные грунты — разновидность глинистых фунтов, содержащие крупные вертикальные поры. При увлажнении их структура быстро разрушается, и они дают просадку, приводящую к аварийному состоянию возведенных на таких основаниях со­оружений.

Лессовые грунты строительной площадки по просадочности подразделяют на два типа: I тип — просадка фунта от собственного веса при замачивании не более 5 см, II тип — толща фунта проседает более чем на 5 см..

При строительстве на лессовых грунтах осуществляют комплекс мероприятий, включающих подготовку основания (строительные методы укрепления и уплотнения грунтов), водозащитные (планировка территории, устройство водонепроницаемых от — мосток, отвод аварийных вод за пределы зданий в ливнесточную сеть) и конструктив­ные меры (повышение прочности и пространственной жесткости, разрезка зданий оса­дочными швами на отсеки, устройство железобетонных поясов, усиление фундамент­ных конструкций…).

Мероприятия по предотвращению аварийных ситуаций выбирают в соответствии с типом просадочности лессового грунта. Если для I типа лессовидного грунта доста­точно провести инженерную подготовку основания и водозащитные мероприятия, то для II типа — необходимо добавить и конструктивные меры.

Искусственные основания. Существует три основных метода создания искусст­венного основания :-уплотнение; укрепление; замена слабого грунта.

Уплотнение — это механический способ укрепления фунтов основания:

-поверхностное уплотнение с применением щебня или гравия осуществляется катками, трамбовками, вибраторами;

-глубинное уплотнение при помощи устройства песчаных или фунтовых свай. Осуществляется бурением скважин вибраторами с одновременной засыпкой песком. Благодаря вибрации песок утрамбовывается и хорошо заполняет скважины, уплотняя одновременно фунт основания.

Укрепление грунтов физико-химическими методами. В этих случаях фунт за­крепляется за счет нагнетания через перфорированные трубы (иньекторы) растворов, создающие при затвердении камневидный грунт.

В зависимости от вида грунта применяют:

— цементизацию (жидкое цементное молоко) для крупных и средних песков, тре — щеновидных скальных пород;

— битумизацию (жидкие битумные мастики) для мелких и пылеватых песков;

— силикатизацию (растворы жидкого стекла и хлористого кальция) для пылева­тых и лёссовидных фунтов. Многие памятники архитектуры удалось спасти с помо­щью химического закрепления грунтов под их фундаментами: Успенский Собор, цер­ковь Ризположения и святого Лазаря в Москве, здание Московской консерватории им. Чайковского, Одесский оперный театр и др.

-замена слабого грунта на более прочный преследует снижение напряжения в ес­тественном грунте при передаче нагрузки от фундамента. Для этого устраивают гра­вийные или песчаные подушки высотой, обеспечивающей напряжение в естественном основании соответственно его несущей способности.

Фундаменты

Проектирование фундаментов заключается в выборе его конструктивного типа, материала из которого он выполняется, а также глубины заложения и наиболее эконо­мичного способа возведения подземной части здания.

Классиф икаиия фундаментов

Конструктивный тип фундаментов зависит от особенностей конструктивной схе­мы здания, с одной стороны, и требований грунтовых условий, с другой. Фундаментные конструкции классифицируют на следующие группы: — ленточные, столбчатые, плит­ные, коробчатые, свайные.

Ленточные фундаменты представляют собой непрерывные ленты (подземные стены) под несущими стенами или каркасом наземной части здания.

Столбчатые — отдельно стоящие в виде стаканов или столбов. Отдельно стоя­щие столбы, с уложенными по ним фундаментными балками, применяют довольно ча­сто при строительстве малоэтажных жилых домов. Фундаменты «стаканного» типа предназначаются для зданий каркасной конструктивной системы.

Плитные фундаменты представляют плиту под всем сооружением. Применяют­ся при строительстве многоэтажных зданий, на неравномерно сжимаемых грунтах.

Коробчатые фундаменты проектируют для высотных зданий с тяжелыми на­грузками, приходящимися на его подземную часть. Они могут выполняться как в моно­литном, так и сборно-монолитном вариантах.

Свайные фундаменты применяются при строительстве на слабых основаниях, при приходящихся на них значительных нагрузок и в индустриальном строительстве с целью снижения сроков строительства и трудозатрат.

Нагрузки и воздействия

Основная роль фундаментных конструкций заключается в восприятии и переда­че воздействий от здания на основание. При этом они сами подвергаются ряду как си­ловых, так и не силовых воздействий.

К силовым статическим нагрузкам относят собственную массу конструкций зда­ния и воспринимаемая им полезная нагрузка, «боковое» давление грунта, его упругий отпор и неравномерная деформация основания.

Кроме того фундамент испытывает ряд динамических воздействий: ветровые, сейсмические и вибрационные.

При высоком уровне стояния грунтовых вод возникает гидростатическое давле­ние по боковой плоскости фундамента и его подошве, а при основании, состоящем из пучинистых грунтов, возникают силовые воздействия на конструкцию фундамента вдоль его вертикальных плоскостей.

К не силовым воздействиям относятся — переменные температура и влажность, как по высоте, так и по толще фундамента (при наличии теплого подвала или подполья); агрессивные воздействия химических примесей в составе грунтовых вод.

Поэтому при проектировании зданий и сооружений принимается ряд мер, обес­печивающих оптимальный режим эксплуатации конструкций нулевого цикла.

Например, воздействия сил пучения устраняют правильным выбором глубины заложения фундаментов; миграция грунтовой влаги через конструкцию может быть ис­ключена или прервана при помощи устройства гидроизоляции; воздействие неравно­мерных осадок грунтов основания — их заменой или укреплением; горизонтальные по­движки и вибрации — отсыпкой вертикальных пазух по внешнему контуру фундаментов амортизиционными материалами (керамзитовый гравий, песок, шлак…).

Исходя из выше перечисленных нагрузок и воздействий, фундаментные конст­рукции должны обеспечивать — прочность, устойчивость, долговечность, а также эконо­мичность и индустриальность при их возведении. Материал фундаментных конструк­ций, размеры сечения, форма, конструктивный тип и глубина заложения должны удов­летворять предъявляемым требованиям.

Материалом фундаментов служит естественный или искусственный камень. На­ибольшее распространение получили бетонные и железобетонные (сборные и монолит­ные) конструкции. Применение бута и бутобетона ограничено местными условиями.

Глубина заложения фундаментов зависит: от конструктивных особенностей зда­ния (наличие или отсутствие подвалов, разводки инженерных коммуникаций и др.); от глубины заложения фундаментов смежных зданий; от величины и характера нагрузок на основание; от геологических и гидрогеологических условий участка (виды грунтов, их несущая способность, наличие грунтовых вод, их отметки и колебания уровня); от климатических особенностей района строительства (глубина промерзания грунта).

Глубина заложения фундаментов под наружные стены и колонны отапливаемых зданий при непучинистых грунтах не зависит от глубины промерзания и может назна­чаться минимальной равной 0,5 м от уровня проектной планировочной отметки поверх­ности земли.

Рис. 15.3. Основные воздействия на конст­рукции фундамента и стены подвала: 1 — вертикальные нагрузки; 2 — горизонтальные силовые воздействия; 3 — отпор грунта; 4 — боковое давление грунта; 5 — силы пучения грунта; 6 — вибрации; 7 — миграция грунто­вой влаги; 8 — тепловой поток; 9 — диффузия водяного пара

В случаях, когда основание фундамента состоит из пучинистых или склонных к пучению грунтов (крупнообломочных с глиняным заполнением, пылеватых и мелкозер­нистых песков, супесей, суглинков и глин) глубину заложения фундаментов назначают в зависимости от нормативной глубины сезонного промерзания грунта, оговоренной в задании на проектирование наряду с геологическими и гидрогеологическими данными строительной площадки.

При отсутствии исходных данных следует определять нормативное значение глубины промерзания фунтов по СНиП 2.02.01-87.* «Основания зданий и сооруже­ний», а также СНиП 23-01-99 «Строительная климатология и геофизика». Расчетную глубину заложения фундаментов наружных стен и колонн отапливаемых зданий опре­деляют умножением нормативного значения глубины промерзания на понижающей ко­эффициент, учитывающий тепловой режим подвальной части здания и конструктивные особенности цокольного перекрытия.

Ниже приведен пример расчета определения глубины заложения фундамента на основании требований, изложенных в выше перечисленных СНиПах

Пример. Определение глубины заложения фундамента.

I. Исходные данные:

¦ Наименование района строительства Москва

¦ Характеристика грунтов площадки суглинки

¦ Уровень грунтовых вод — на глубине 3,0м. от поверхности земли

II. Определить на основе теплотехнических расчетов глубину заложения фундамента в соответствии с требованиями СНиП 2.0 2.01 — 87*

1. Нормативная глубина сезонного промерзания (с!^) определяется по формуле:

Ал=с10Л/ч /1/

Где, М,. — безразмерный коэфициент, численно равный сумме абсолютных значений сред­немесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемый по СНиП 23­01-99 /Строительная климатология и геофизика/ или по результатам наблюдений гидрометеоро­

Логических станций данного района.

(?о — величина, принимаемая равной для:

¦ суглинков и глин…………………………………………………… 0,23 м.

¦ супесей, песков мелких и пылевидных…………………….. 0,28 м.

¦ песков гравелистых, крупных и средней крупности…0,30 м.

¦ крупнообломочных фунтов…………………………………… 0,34 м.

Для города Москвы значение М). = 34,3 определенно в результате подсчета по ниже при­веденной таблице:

Месяц

XI

XII

I

II

III

Среднемесячная температура

-2,20

— 7,60

-10,20

-9,66

-4,70

Для суглинков с1о = 0,23 м, = 0,23^/34~~3 = 1,26 м. 2. Расчетная глубина сезонного промерзания (м) определяется по формуле;

?г = кА>

Где, к|, — коэфициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения по табл. 1 СНиП 2. 02.01 -87*. 262

Данный коэфициент учитывает, как среднесуточную тепературу воздуха в помещении примыкающем к наружним фундаментам, так и конструктивные особенности цокольного пере­крытия. Считая, что здание проектируется с подвалом (техническим подполье) с температурой воздуха в помещении подвала равной 10 °С, коэффициент к^ — принимается по вышеназванной таблице 1 СНиП2. 02. 01 -87*, к,, = 0,6, тогда — с1г = 0,6 ¦ 1,26 = 0,76 м.

2. Глубина заложения фундаментов под наружные стены отапливаемых зданий должна назначаться в зависимости от отметки уровня грунтовых вод, чтобы не допустить морозного пу­чения грунтов оснований.

-иге

Это условие ограничивается таблицей 2 СНиП 2.02.01-87*. Условия таблицы наглядно представлены на схеме 1 , отражающая зависимость глубины заложения фундамента от отметки уровня грунтовых вод и характеристики грунтов основания.

А,

Нормативная глубина промерзания

Уровень грунтовых вод

Схема 1- Расчетные параметры:

<1р глубина заложения фундамента;

С!^, — нормативная глубина сезонного промерзания;

С1гв — уровень грунтовых вод;

С1 — расстояне между глубиной промерзания и уровнем грунтовых вод.

Назначение глубины заложения фундамента в зависимости от уровня грунтовых вод.

1. глины, суглинки (!(¦>

2. пески (мелкие), супеси при <1 > 2,0 м с!(-<

3. пески (крупные), гравий скалистый не зависит от

Глубину заложения фундамента в приведенном примере ( при суглинистом основании) следует назначать ниже уровня промерзания (смотри расчет пункт 2, где (1^ =1,26 м). Поэтому на­значаем глубину заложения фундамента равной 1,30 м.

Конструкции фундаментов

Ленточные фундаменты подразделяются на сборные и монолитные (рис. 15.4). Монолитные фундаменты выполняют из каменной кладки или бетона. Фундаменты бу­товой кладки применяют в малоэтажном строительстве в районах, где бутовый камень является местным материалом. Конструкция неэкономична и трудоемка. Наиболее раци­онально выполнять монолитные фундаменты из бетона с применением инвентарной щи­товой опалубки. Уширение фундамента к подошве для уменьшения давления на грунт осуществляется уступами шириной 150-250 мм. Высота уступа зависит от материала фундамента: -350-600 мм (бутовый при двух рядах кладки) и 300 мм (бутобетонный).

263



.