Кузнецов - Архитектурные конструкции
ОСНОВАНИЯ, ФУНДАМЕНТЫ, ПОДВАЛЫ
Глава первая
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ОСНОВАНИЙ И ГРУНТОВЫХ ВОД
Основные определения
Верхние слои земной коры, на которых возводятся сооружения, называются грунтами. Вся масса грунтов, находящихся под зданием и несущих его вес, называется основанием сооружения.
Для установления величины нагрузки, которую может нести основание, необходимо прежде всего провести на площадке строительства так называемые изыскательские работы, позволяющие установить характер грунтовых напластований и изучить свойства грунтов. Объём и методы проведения этих работ устанавливаются наукой, называемой инженерной геологией. Передача нагрузки грунту осуществляется через расположенные ниже поверхности земли части здания, которые называются фундаментами.
Грунты, как всякое тело в природе, под действием нагрузки сжимаются. Фундамент, следуя за основанием, опускается относительно своего первоначального положения. Величина опускания фундаментов называется осадкою. Изучением законов образования 9садок под действием нагрузок на грунт занимается наука, называемая механикой грунтов.
Несущая способность основания
Из дальнейшего изложения (стр. 20) мы увидим, что величина осадки зависит от свойств грунтов, залегающих примерно до глубины, равной двойной ширине фундамента, от величины передаваемого фундаментом давления, от формы и величины площади основания. Вследствие разнообразия факторов, влияющих на величину осадки, и неизбежной неоднородности грунтов невозможно запроектировать фундамент так, чтобы осадки под всеми частями сооружения были одинаковыми. Практика показала, что большие, а главное неравномерные осадки являются основной причиной появления деформаций, трещин и других разрушений в зданиях.
Наблюдая в натуре выстроенные здания, можно установить, что одна и та же неравномерность осадок по-разному влияет на сохранность зданий, имеющих различную конструкцию. Например, осадки, не вызывающие никаких заметных на глаз деформаций в зданиях с кирпичными стенами, могут вызвать большие трещины в балках и колоннах здания с железобетонным монолитным каркасом.
Поэтому несущая способность основания определяется величиной нагрузки, при которой получается осадка, приемлемая по величине и равномерности для г данного сооружения. Величина этой нагрузки, отнесённая к единице площади основания, называется допускаемым давлением на грунт.
В настоящее время влияние неравномерности осадок изучено хорошо только для зданий, имеющих массивные каменные стены и непрерывные фундаменты |(стр. 46). Для зданий этого типа, при сравнительно однородных напластованиях грунтов, нормами даются величины допускаемого давления на грунт в зависимости от рода грунта, расположенного непосредственно под фундаментом (стр. 29).
Однако это не значит, что можно, как это делалось до последнего времени, назначать допускаемое давление во всех случаях только по прочности грунта. Это подтверждается приведёнными выше рассуждениями о влиянии осадки на различные конструкции.
Дальше будет показано, как практически выбирают допускаемое давление при неоднородных напластованиях, для зданий с каркасом и т. д.
Промерзаемость грунта и глубина заложения фундаментов
Нельзя ограничиваться учётом осадок, происходящих в грунте под действием нагрузки, так как грунт может деформироваться, кроме того, под влиянием изменения температуры. Поэтому для сохранности сооружения необходимо, чтобы основание под ним не деформировалось и при всех таких изменениях. H3BectH0, что зимой грунт промерзает на некоторую глубину, а весной — оттаивает. При промерзании вода, заключённая в порах грунта, расширяется и выпучивает грунт кверху. Предельная глубина, на которой появляется явление пучения, называется глубиной промерзания.
Величина её зависит от климатических условий. На рис. 1 приведена карта Европейской части СССР, заимствованная из норм, с указанием границ районов, имеющих различную глубину промерзания, и величины её h. В глинистых грунтах пучение проявляется особенно сильно, так как вследствие их малой водопроницаемости вода при замерзании не находит выхода. В песчаных грунтах пучение много меньше, а в крупнозернистых песках столь незначительно, что практически не даёт себя чувствовать. Пучение происходит в различных пунктах неравномерно, и если подошву фундаментов расположить выше глубины промерзания,
то в стенах могут появиться более или менее значительные трещины. Поэтому основание сооружения должно быть заложено ниже глубины промерзания: в песчаных грунтах на
Минимальная глубина заложения внутренних фундаментов, защищенных от промерзания в течение строительства и эксплуатации, независимо от глубины промерзания, может приниматься в
Вечная мерзлота
Выше было указано, как практически обеспечивается неизменность основания при изменении температуры в обычных условиях строительства. Но почти 47% всей территории Союза, главным образом на крайнем Севере и в Восточной Сибири, занимают районы вечной мерзлоты. В этих областях на некоторой глубине имеются слои мёрзлых грунтов, которые не оттаивают даже в самое жаркое лето.
Так как мощность (толщина) вечно мерзлых грунтов бывает весьма значительна, то в таких районах по экономическим соображениям подошву фундаментов располагают на вечно мёрзлых грунтах, которые для сохранности основания должны быть предохранены от оттаивания в период эксплуатации здания. Это вызывает в фундаментах целый ряд конструктивных особенностей, которые излагаются в специальных руководствах.
Грунтовые воды
На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а верхняя поверхность их — уровнем грунтовых вод.
Грунтовые воды оказывают большое влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане сильно затрудняется. Различные примеси, растворенные в воде, могут вредно (агрессивно) влиять на материал фундаментов и разрушать его. Все это заставляет строителя при проектировании и возведении фундаментов детально изучать грунтовые воды в районе постройки.
Вода в грунте скопляется вследствие конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, и просачивания дождевых и талых снеговых вод. Поэтому уровень грунтовых вод непостоянен: наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое — зимой и летом. Вблизи открытых водоемов (река, канал, озеро и т. д.) колебание уровня грунтовых вод обычно связано с колебанием уровня воды в водоёме.
После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети и т. д. условия стока и просачивания меняются, что может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно незначительным (например в Москве — около
Распределение вод в толще грунта во многом зависит от характера напластования. Вода задерживается при просачивании над водоупорными (главным образом — тяжелыми глинистыми) грунтами и скопляется в водопроницаемых (песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносными.
Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое во многих случаях находится под давлением. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась. Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, — установившимся уровнем грунтовых вод. Очевидно, что этот уровень должен выявляться при изысканиях и учитываться при проектировании.
В заключение отметим, что при просачивании воды небольшое количество ее всегда задерживается в верхнем почвенном слое (почвенные воды, верховодка). Не оказывая влияния на конструкцию фундаментов, наличие этих вод заставляет всегда принимать меры по изоляции фундаментов и стен от влаги.
Влияние грунтовых вод на устойчивость и прочность основания
Изменение уровня грунтовых вод после возведения сооружения может резко понизить прочность основания и вызвать серьёзные деформации сооружения в следующих случаях:
1) при наличии в грунте легко растворимых в воде веществ грунт с течением времени может резко изменить свои свойства и разрушиться; этого можно опасаться, когда химическим анализом установлено присутствие в грунтовой воде большого количества минеральных веществ. Поэтому во всех таких случаях необходимо обстоятельно изучить состав грунта и определить мероприятия, устраняющие возможность его разрушения;
2) при расположении сооружения на мелких и пылеватых рыхлых песках, которые под давлением текут вместе с водой. Такие грунты называются плывунами (стр. 14). Если грунтовые воды имеют выход на поверхность (например в месте резкого изменения рельефа, при отрытии котлована или шурфа и т. д.), возникает опасность выноса частиц грунта из-под проектируемого сооружения или из-под зданий, расположенных рядом с котлованом. Поэтому при проектировании сооружения на плывуне необходимо специальными исследованиями установить пределы распространения плывунов, возможность выноса их в местах резких переломов поверхности рельефа, характер и рельеф подстилающих грунтов, направление и скорость движения грунтовых вод. На основании этих данных в каждом конкретном случае особо решается вопрос о выборе допускаемого давления на плывун с учётом влияния, которое будет, оказано этим давлением на уровень и движение грунтовых вод. Одновременно устанавливаются мероприятия, устраняющие возможность выноса грунта из-под сооружения;
3) по всему СССР довольно сильно распространены особые глинистые грунты, которые, находясь под нагрузкой в сухом состоянии, ничем не отличаются по характеру работы от других глинистых грунтов, но при прохождении сквозь их толщу воды сразу резко теряют устойчивость. Такие грунты называются лёссовидными или просадочными (стр. 17). Как показала строительная практика, лёссовидные грунты могут служить основанием для сооружения, если устранена возможность замачивания их.
Агрессивность грунтовых вод
Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов некоторых производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно.
Вода даже с малым количеством вредных веществ может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды на бетон действуют все новые и ионные частицы вредных примесей. Поэтому всегда следует производить химический анализ воды.
Во всякой воде имеется, хотя бы в ничтожном количестве, углекислота (CO2). Она может быть связанной (неактивной, неспособной вступать в какие-либо новые соединения) и свободной (активной). Связанная углекислота для бетона безвредна. Свободная углекислота вступает в реакцию с известью бетона и образует растворимые в воде соли.
В сильно загрязнённой воде, при наличии в ней и свободной углекислоты (СО2), и сульфатов (SO4), и хлоридов (С1), и окиси магния (MgO), путём взаимодействия с бетоном образуются растворимые соли, и потому агрессивность воды зависит от совокупности всех этих примесей.
В сравнительно чистой воде при отсутствии хлора (Сl) и свободной углекислоты (СО2), при наличии солей магния (MgO) и натрия (NaO) в количестве, меньшем 60 мг/л, вредны растворы гипса, так как они ведут к образованию сложных солей («цементная бацилла»), которые увеличиваются в объёме и потому разрушают бетон.
Весьма вредны примеси азотной" и азотистой кислот и аммиака. Наоборот, кремнекислота в Л1рбом количестве безвредна. Допускаемые в зависимости от качества бетона и цемента количества этих вредных примесей приведены на стр. 100, где указаны и методы защиты фундаментов от агрессивных вод.
Незыблемость основания
Кроме рассмотренных выше случаев нарушения устойчивости верхних слоев грунта, практика знает не мало примеров, когда неустойчивым оказывалось все напластование грунтов в целом, и сооружение, расположенное на вполне прочных верхних слоях грунта, подвергалось разрушению. Такое нарушение устойчивости возможно в следующих случаях:
1) вблизи рек и оврагов, в гористых районах, когда вследствие наклона нижних слоев к горизонту возможно сползание по ним или обвал верхних пластов; опасность таких оползней и обвалов сильно возрастает при глинистых грунтах, особенно если они смачиваются водами;
2) у высоких морских берегов, где вследствие подмыва возможно обрушение целых участков берега;
3) в некоторых районах, где в силу различных причин на некоторой глубине образовались большие внутренние пустоты (карсты, выработки); при возведении сооружения непосредственно над ними возложен, под действием дополнительной нагрузки, провал всех верхних слоев;
4) в сейсмических районах.
Все перечисленные особенности геологического строения участка не могут быть установлены простой разведкой грунтов, поэтому при строительстве в оползневых, обвальных, карстовых, сейсмических районах необходимы специальное геологическое обследование, устанавливающее возможность перечисленных явлений, и мероприятия, обеспечивающие устойчивость сооружения.
...