Основания и фундаменты в вопросах и ответах. Часть 2

Часть II

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Главы Ф.1-Ф.21

Ф.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ*

Ф.1.1. Что называется основанием зданий и сооружений?

Основанием зданий и сооружений называется массив грунта, находящийся ниже подошвы их фундаментов и воспринимающий нагрузку от фундаментов и надземных конструкций.

Ф.1.2. На какие виды можно подразделить основания?

Основания можно подразделить на нескальные и скальные. Нескальные основания представляют собой массивы, сложенные крупнообломочными, песчаными и пылевато-глинистыми грунтами. Крупнообломочные и песчаные грунты, не имеющие структурных связей, называются сыпучими грунтами.

Скальные основания сложены магматическими, метаморфическими и осадочными грунтами, прочность которых на одноосное сжатие изменяется от 5 до 50 МПа.

Ф.1.3. Можно ли с помощью классификационных показателей оценить прочность и сжимаемость нескальных грунтов основания?

Крупнообломочные и песчаные грунты классифицируются по гранулометрическому составу и по степени влажности.

К крупнообломочным относятся грунты, у которых частицы диаметром более 2 мм составляют 50 % и более. Частицы песчаных грунтов имеют диаметр менее 2 мм. По ГОСТу [9] песчаные грунты подразделяются на: песок гравелистый, песок крупный, песок средней крупности, песок мелкий и песок пылеватый.

Вторым классификационным показателем для песчаных грунтов является коэффициент пористости, который характеризует плотность сложения. По плотности сложения различают пески плотные, средней плотности и рыхлые. По величине коэффициента пористости во многом можно судить и о прочности песчаного основания. При 0,5 £ e £ 0,6 песок является хорошим основанием, а при e > 0,7 основание в естественном состоянии обладает значительной сжимаемостью.

Третьим классификационным показателем крупнообломочных и песчаных грунтов является степень влажности S_r. По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются на маловлажные (0 < S_r £ 0,5), влажные (0,5 < S_r £ 0,8) и насыщенные водой (0,8 < S_r £ 1).

Поэтому, если в основании залегают песчаные грунты, то их полное наименование определяется тремя классификационными показателями. Например, по результатам гранулометрического анализа песок отнесен к категории песка мелкого. Если теперь известно, что e = 0,6 и S_r =0,7, то полным наименованием является: песок мелкий, плотный, влажный.

Нескальные основания, сложенные пылевато-глинистыми грунтами (супеси, суглинки и глины), обладают большими специфическими особенностями по сравнению с песчаными. Наличие органических веществ, солей, карбонатов, минералов монтмориллонита и каолинита в глинистых грунтах вызывает при замачивании явления просадки или набухания.

Пылевато-глинистые грунты подразделяют по числу пластичности I_p, и показателю текучести I_L. По числу пластичности различают следующие пылевато-глинистые грунты: супеси (1 £I_p £ 7), суглинки (7 <I_p £ 17) и глины (17 < I_p). Показатель текучести I_L характеризует консистенцию глинистого грунта. По его величине можно косвенно определить и степень сжимаемости основания. Например, если в основании залегают глинистые грунты с показателем текучести I_L £ 0, то данный слой грунта обладает низкой сжимаемостью. Значение I_L ³ 0,75 говорит о повышенной сжимаемости основания.

Наихудшим видом основания являются илы и заторфованные грунты. Лессовые грунты в маловлажном состоянии могут служить хорошим основанием. Однако при замачивании водой они дают просадку.

Ф.1.4. Чем отличаются естественные и искусственные основания?

Основание, сложенное грунтами в естественном неизмененном природном состоянии, называется естественным основанием. Если естественное основание подвергалось каким-либо воздействиям с целью улучшения прочностных и деформационных свойств, то оно называется искусственным основанием.

Плотные песчаные грунты и пески средней плотности, глинистые твердые, полутвердые, тугопластичные грунты являются хорошим основанием и используются в качестве оснований обычно в естественном состоянии. Рыхлые пески, лессовые и набухающие грунты, илы и заторфованные грунты при определенных условиях проявляют специфические свойства, которые ухудшают их естественные (природные) прочностные и деформационные показатели. Поэтому подобные грунты искусственно улучшаются рядом способов: поверхностным и глубинным уплотнением, химическим закреплением, обжигом и т.д.

Ф.1.5. Для чего устраиваются фундаменты?

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий или сооружений, а также оборудования на грунты основания. Фундаменты служат для более равномерного распределения нагрузок по поверхности основания и передачи таких давлений подошвой фундамента на грунты, которые не вызовут их разрушения или недопустимых деформаций.

Ф.1.6. Какие требования предъявляют к проектированию оснований и фундаментов?

При проектировании обязательно соблюдаются требования нормативных документов (СНиП) [1-8]. В нормах имеются положения обязательные и рекомендуемые. При проектировании следует обеспечить прочность зданий или сооружений, а также обеспечить удовлетворение технологических требований к ним, возможность их нормальной эксплуатации. Экономические требования сводятся к минимальной стоимости конструкций, устройства оснований, а также последующих ремонтных работ, и к сокращению сроков строительства.

Ф.1.7. Какая рекомендуется последовательность проектирования оснований и фундаментов?

Рекомендуется такая последовательность:

1. Оценить результаты инженерно-геологических изысканий, их достаточность для проектируемого объекта, их качество.

2. Провести анализ проектируемого здания или сооружения с точки зрения его чувствительности к деформациям, особенно неравномерным, и его общей устойчивости.

3. Оценить местоположение застройки с точки зрения рельефа местности, расположенных рядом других зданий и сооружений - существующих и проектируемых, наличия подземных коммуникаций, транспортного подъезда.

4. Произвести определение действующих нагрузок от конструкций и оборудования на основание: вертикальных, в том числе снеговых и горизонтальных (ветровых, а также возникающих вследствие перепада уровня при осуществлении заглубленных подвальных этажей, уклона рельефа и т.д.) и особых (например, в сейсмоопасных районах или возможного нарушения технологического процесса).

5. Наметить возможные варианты фундаментов - два, три, которые в дальнейшем будут разрабатываться.

6. Произвести необходимые расчеты в соответствии с требованиями действующих норм (СНиП и др.).

7. Оценить стоимость разрабатываемых вариантов фундаментов и произвести их технико-экономическое сопоставление.

Ф.1.8. Какие обстоятельства следует особо учитывать при выборе основания для здания или сооружения?

Особо следует учитывать наличие в основании линз слабых грунтов, резкого выклинивания пластов, карстовых полостей, сбросов, а также посторонних коммуникаций, старых горных выработок и др. Необходимо учитывать наличие существующих рядом зданий и сооружений, их подземный контур - глубину закладки и тип их фундаментов, время застройки в прошлом, состояние этих зданий и сооружений. Это особенно важно в условиях плотной городской застройки. Следует также учитывать рельеф местности, наличие оползневых явлений.

Ф.1.9. Какие можно предложить конкретные типы фундаментов и оснований?

Обычно сначала для зданий и сооружений рассматривается возможность применения фундаментов мелкого заложения, то есть фундаментов, устраиваемых в открытых котлованах. Затем рассматриваются свайные фундаменты и фундаменты глубокого заложения. Если не удается воспользоваться грунтами в основаниях в их естественном состоянии, то есть без улучшения строительных свойств, то прибегают к устройству искусственных оснований благодаря уплотнению грунтов, водопонижению, закреплению и др.

Ф.1.10. Какой процент от стоимости строительства обычно составляет стоимость фундаментов?

Стоимость фундаментов в среднем составляет 10-12 % от стоимости строительства, однако при сложных инженерно-геологических условиях она может быть существенно большей, достигая даже 30 % и более. Поэтому необходимо производить рациональное проектирование оснований и фундаментов с рассмотрением возможных вариантов и их последующим технико-экономическим сопоставлением. Следует принимать во внимание не только конструкцию фундаментов, но и технологию производства работ по их возведению.

Ф.1.11. Что служит основным стоимостным критерием при сопоставлении вариантов?

Основным стоимостным критерием при выборе проектного решения является показатель приведенных затрат. В него входят себестоимость устройства фундаментов, накладные расходы и дополнительные затраты, если работы ведутся в зимнее время, а также капитальные вложения в производственные фонды строительной индустрии. Натуральными показателями являются суммарные затраты труда и показатель расхода материалов.

Ф.2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

Ф.2.1. Кто проводит инженерно-геологические изыскания?

Обычно инженерно-геологические изыскания проводят специализированные организации, имеющие лицензии на проведение данного вида работ. В России основной объем изысканий выполняют тресты инженерно-строительных изысканий (ТИСИЗ).

Ф.2.2. Какие изыскания проводятся на строительной площадке до проектирования и строительства будущего здания или сооружения?

На каждой строительной площадке выполняются инженерно-геологические изыскания, которые включают комплекс работ, выполняемых для определения исходных данных, необходимых для проектирования оснований зданий и сооружений.

Проведение изысканий регламентируется нормативными документами и стандартами.

Ф.2.3. Что включает полный комплекс изыскательских работ?

Он обычно включает:

-  проходку скважин и отбор образцов грунта с каждого выделенного инженерно-геологического элемента;

-  проведение лабораторных испытаний образцов грунта с целью определения физико-механических характеристик;

-  определение положения и состава грунтовых вод;

-  проведение штамповых испытаний грунтов непосредственно на строительной площадке;

-  статическое и динамическое зондирование грунтов;

-  пробные испытания грунта с забивкой свай.

Ф.2.4. От чего зависит объем инженерно-геологических изысканий?

Объем инженерно-геологических работ определяется степенью изученности района и сложности инженерно-геологических условий строительной площадки.

В зависимости от категории сложности и вида сооружений в пределах пятна застройки должно быть разработано от 2 до 5 горных выработок (скважины, шурфы, дудки).

Ф.2.5. Как определить глубину исследования грунтов при инженерно-геологических изысканиях на стадии технического проекта?

Глубина проходки назначается исходя из расчетной толщины сжимаемой толщи с увеличением на 1-2 м. В том случае, если исследования проводятся на стадии эскизного проекта и неизвестна толщина сжимаемой толщи, допускается назначать глубину проходки из типа фундаментов и нагрузок на них.

Для ленточных и отдельно стоящих фундаментов при нагрузках от 100 до 2000 кН/м и от 500 до 5000 кН, соответственно, глубина проходки ниже подошвы фундамента изменяется от 4 до 25 м. Более просто принять глубину проходки исходя из расчета 3 м на один этаж здания. Для свайных фундаментов глубины проходки выработок должны назначаться не менее чем на 5 м ниже проектируемой глубины погружения свай, поскольку считается, что зона сжатия у свайных фундаментов начинается от острия свай.

Ф.2.6. Какое количество инженерно-геологических выработок обычно рекомендуется и какое расстояние между ними назначается?

Результаты исследований должны полностью охарактеризовать пятно застройки, то есть основание будущего сооружения и в плане, и по глубине. Поскольку при проектировании размещения сооружения на местности возможны его подвижка и переориентация, то предварительные изыскания должны охватывать большую площадь, чем площадь самого сооружения. Горными выработками, характеризующими строение основания, являются обычно скважины и шурфы. Изыскания должны дать сведения об инженерно-геологическом строении основания, литологическом составе толщи, наличии неблагоприятных грунтов (просадочных, карсты и др.), о гидрогеологических условиях. Эти данные должны позволить построить разрезы массива основания, из которых будет виден характер напластования, выклинивание отдельных слоев, наличие линз. Минимальное количество выработок обычно 3-5, а в случаях сложных грунтовых условий их должно быть больше, так как необходимо иметь представление о пространственном строении основания. Максимальное расстояние при сравнительно пологой кровле пластов и их однородности 20-30 м. Глубина бурения должна не менее чем на 3-5 м превышать сжимаемую толщу, определяющую контур основания. Однако в случае наличия в нижней части основания слабых малопрочных грунтов следует производить более глубокое бурение. Устанавливается наличие водоносных горизонтов, являются ли грунтовые воды напорными и какова в этом случае величина напора.

Детальность инженерно-геологической разведки зависит также от класса возводящихся зданий и сооружений. В каждой из скважин производится отбор образцов для определения физико-механических характеристик грунтов.

Ф.2.7. Какие основные характеристики определяются при инженерно-геологических изысканиях?

Физические, прочностные и деформационные характеристики определяются во всех случаях. Фильтрационные свойства грунта, характеризуемые коэффициентом фильтрации, определяются в том случае, если основание сложено водонасыщенными глинистыми грунтами с незавершенной консолидацией. Этот показатель используется при расчете осадки фундаментов во времени, для оценки скорости уплотнения грунтовой толщи, а также при расчетах дренажных и водопонизительных систем.

В том случае, если на фундамент действуют динамические нагрузки, приходится определять дополнительный показатель, называемый коэффициентом упругого равномерного сжатия C_z (кН/м³).

При определении деформаций ползучести грунта основания, сложенного тугопластичными, полутвердыми и твердыми глинистыми грунтами, используются показатель длительной прочности грунта (кПа), а также коэффициенты затухания ползучести и вторичной консолидации.

Для более сложных расчетов с использованием нелинейных определяющих уравнений определяются модуль сдвига G (кПа), модуль объемной деформации K (кПа), а также ряд других параметров.

Ф.2.8. Какие дополнительные характеристики определяются для структурно неустойчивых грунтов?

При проектировании фундаментов на просадочных, набухающих и заторфованных грунтах при изысканиях должны определяться дополнительные характеристики:

-  для просадочных грунтов относительная просадочность e _sl и начальное просадочное давление psl (кПа);

-  для набухающих грунтов относительное набухание e _sw, относительная усадка e _sh, давление набухания p_sl (кПа);

-  для заторфованных грунтов и торфа коэффициент консолидации c_v (cм²/г); для них также устанавливается изменение прочностных характеристик с учетом фактора времени.

Ф.2.9. Какие методы используются для определения физико-механических свойств грунтов?

Определение физико-механических свойств грунтов производится лабораторными и полевыми методами.

Физические характеристики грунтов определяются лабораторными методами. В некоторых случаях используются полевые методы исследований при помощи зондирования и радиоактивного каротажа.

Прочностные характеристики грунтов определяются лабораторными или полевыми методами. Для этой цели в лабораторных условиях используются сдвиговые приборы и стабилометр. В полевых условиях сопротивление сдвигу слабых грунтов определяется методом вращательного среза в скважинах (см.рис.М.11.20). Для оценки угла внутреннего трения песчаных грунтов используют статическое и динамическое зондирование (рис.Ф.2.9,а).

Прочностные свойства крупнообломочных грунтов, образцы которых практически невозможно отобрать с ненарушенной структурой, определяются путем среза грунта.

Деформационные свойства грунтов определяются в лабораторных условиях с использованием компрессионных приборов и стабилометров (см.ч.I), а в полевых условиях при помощи прессиометра (рис.Ф.2.9,б) и штамповых испытаний.

Ф.2.10. Что представляет собой инженерно-геологический разрез?

Инженерно-геологический разрез представляет собой чертеж, на котором изображены горные выработки (скважины, шурфы), выделены слои грунта, показана их мощность, нанесен ряд показателей их свойств, показан уровень грунтовых вод (рис.Ф.2.10).

Ф.2.11. Как определяются прочностные характеристики грунтов в полевых условиях?

В полевых условиях прочностные характеристики грунтов - угол внутреннего трения и удельное сцепление, определяются методом пенетрации, статического и динамического зондирования, лопастного сдвига и среза целикового массива грунта.

Ф.2.12. В чем отличие пенетрационных испытаний грунтов от метода статического зондирования?

Различие в пенетрации и зондировании состоит в следующем. Погружение наконечника на глубину, меньшую высоты наконечника, называется пенетрацией. Метод испытания грунтов при погружении наконечника на глубину, превышающую высоту наконечника, называется зондированием.

Ф.2.13. Для чего проводятся статическое и динамическое зондирования?

Применение методов пенетрационных испытаний, статического и динамического зондирования позволяет определить:

-  характер залегания грунтов различного литологического состава, положения границ между слоями, включая оценку степени однородности грунтов и степени плотности песчаных грунтов;

-  физические и механические характеристики грунтов (показатель текучести, коэффициент пористости, модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление);

-  сопротивление грунтов под острием R и на боковой поверхности f свай.

Статическое зондирование грунтов (рис.Ф.2.13) заключается во вдавливании в грунт зонда с одновременным измерением значений сопротивлений грунта под наконечником F_s и на боковой поверхности зонда q_s.

Динамическое зондирование состоит в забивке в грунт стандартного конического зонда и измерении глубины его погружения от определенного числа ударов молота или, обратно, при задании установленной глубины забивки с измерением требуемого для этого числа ударов. По результатам динамического зондирования строятся графики изменения по глубине условного динамического сопротивления.

Фактически статическое и динамическое зондирования позволяют определять одни и те же показатели свойств грунтов.

Ф.2.14. Как проводятся испытания методом лопастного сдвига?

Для этого используется крыльчатка, которая вдавливается, после чего к ней прикладывается вращательное усилие. В результате испытаний определяется сопротивление срезу, которое принимается равным силам удельного сцепления. Метод применим только при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, торфах и заторфованных грунтах, так как можно считать, что у них угол внутреннего трения практически равен нулю.

Ф.2.15. Как проводятся испытания грунта в полевых условиях методом сдвига?

Для этого отрывается шурф и вырезается призма ненарушенного грунта, к которой через штамп прикладываются постоянная нормальная и переменная сдвигающая нагрузки. Значения угла внутреннего трения и удельного сцепления определяют из условий предельного равновесия выпираемого или обрушаемого массива грунта.

В другом методе целиковый массив грунта заключается в кольцевую обойму и к нему прикладываются нормальная и сдвигающая нагрузки, по которым из условия прочности Кулона определяют параметры прочности грунта.

Ф.2.16. Какие значения механических и физических характеристик применяются при расчете оснований?

При проектировании оснований зданий и сооружений используются расчетные значения характеристик грунтов, которые определяются на основе непосредственных испытаний в лабораторных или полевых условиях с последующей статистической обработкой результатов испытаний.

Ф.2.17. Как определяются нормативные значения характеристик грунтов?

Нормативные значения характеристик грунтов определяют как среднеарифметическую величину частных результатов определений для каждого выделенного на площадке строительства инженерно-геологического элемента.

Количество определений характеристик грунтов устанавливается в зависимости от степени неоднородности грунтов основания, класса здания или сооружения, требуемой точности вычислений.

Количество одноименных частных определений для каждого выделенного на площадке инженерно-геологического элемента должно быть не менее шести. При определении модуля деформации по результатам испытаний грунтов в полевых условиях штампом допускается ограничиться результатами трех испытаний (или двух, если они отклоняются от среднего не более чем на 25 %).

...