Тема 3.1. Общие сведения об основаниях и фундаментах.

3.1.1. Виды оснований и требования к ним.

  Всякое инженерное сооружение опирается на землю и передает ей давление от собственного своего веса и действующих на него нагрузок. Для передачи и распределения этого давления на грунт устраивают фундамент, служащий опорным элементом сооружения.

Основанием называют толщу грунта, воспринимающую давление от собственного веса, временной нагрузки и передаваемое фундаментом сооружения.

Основания могут быть естественными и искусственными. Если фундамент возводится на грунте с сохранением его природных качеств, то такое основание называется естественным. Если грунты перед возведением фундамента укрепляют тем или иным способом, то основание называется искусственным.

Основания транспортных сооружений должны проектироваться на основе:

а) результатов инженерно-геодезических, инженерно-геологических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для строительства;

б) данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации;

в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений (с оценкой по приведенным затратам) для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов или других подземных конструкций.

При проектировании оснований и фундаментов следует учитывать местные условия строительства, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в аналогичных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

 Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор:

типа основания (естественное или искусственное);

типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные и др.; железобетонные, бетонные, буробетонные и др.);

Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой - по несущей способности и второй - по деформациям.

 

3.1.2. Грунты как естественное основание.

 

  Так как поверхностные слои грунтов обычно имеют небольшую несущую способность и периодически подвергаются промерзанию, оттаиванию и размыву протекающими водами, то фундамент, как правило, заглубляют до более прочных слоев грунта. Толщу грунта, воспринимающую давление, передаваемое фундаментом сооружения, называют основанием. Несущая способность грунтов основания зависит от их структуры и физических свойств. Большое влияние на качество грунтов как основания инженерных сооружений оказывают гидрологические условия в месте строительства, а также методы производства работ по устройству фундаментов сооружения.

Грунты, которые могут служить основанием инженерных сооружений, разделяются на: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Крупнообломочные грунты состоят из несвязанных между собой обломков горных пород угловатых неокатанных (щебень, дресва) или окатанных (галька, гравий). В щебне и гальке большую половину (по массе) составляют частицы размером более 10 мм; в дресве и гравии таких частиц менее половины. Крупнообломочные породы имеют большую несущую способность, водопроницаемы, малосжимаемы и обычно служат хорошим основанием сооружений.

Скальные грунты (граниты, песчаники, известняки и др.) в большинстве случаев имеют большую прочность и при достаточной мощности пластов обычно служат надежным основанием для сооружений. Некоторые скальные породы, как гипс и слабый известняк, могут растворяться проникающей к ним водой. В результате этого образуются пустоты, называемые карстами, которые опасны для строящихся сооружений.

Песчаные грунты состоят из зерен размером менее 2 мм. В зависимости от содержания зерен разной крупности различают: гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые пески. Гравелистые пески имеют (по массе) более 25% частиц крупнее 2 мм, крупные - более 50% частиц крупнее 0,5 мм, средние - более 50% частиц крупнее 0,25 мм, мелкие - более 75% частиц крупнее 0,1 мм и пылеватые - менее 75% частиц крупнее 0,1 мм. Несущая способность песчаного грунта тем больше, чем крупнее и шероховатее его зерна и чем он плотнее. Увлажнение уменьшает несущую способность песков. Насыщенные водой мелкие пески превращаются в плывуны. Песчаные грунты имеют хорошую несущую способность. Под нагрузкой они уплотняются за счет уменьшения объема пор и отжатия из них воды. Появившиеся осадки довольно быстро прекращаются.

Глинистые грунты содержат мельчайшие частицы (менее 0,005 мм), придающие глинам пластичность. В зависимости от содержания таких частиц различают супеси (3-10% по массе), суглинки (10-30%) и глины (более 30%). В глинистых грунтах наблюдается не только трение между их частицами, но и сцепление. В глинистых грунтах, кроме свободной воды, содержится также связанная вода в виде пленок, покрывающих частицы. Сухие плотные глинистые грунты имеют высокую несущую способность. С увеличением влажности грунт набухает, переходя из твердой консистенции в пластичную. При этом его несущая способность уменьшается. Под нагрузкой глинистые грунты дают длительные осадки тем большие, чем больше влажность грунта.

Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения j, удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R_c и т.п.).

 Осадки основания безопасны для сооружений, если давление, передаваемое грунту, не превышает величин, называемых расчетным сопротивлением грунта.

Расчетное сопротивление грунта (кроме скальных), характеризующее их несущую способность, зависит от глубины залегания слоя грунта, размеров фундамента в плане. Чем глубже заложен данный слой грунта, тем он плотнее и несущая способность его больше.

Расчетные сопротивления грунтов зависят от их вида и физико-механических качеств и выражаются в кг/см². Для скальных грунтов расчетное сопротивление зависит от предела прочности образцов на сжатие. Для крупнообломочных грунтов (каменистый, щебенистый, галечный, гравийный) от их породы. Для песчаных и глинистых от их плотности, влажности и пористости.

Характеристики грунтов природного сложения, а также искусственного происхождения, должны определяться, как правило, на основе их непосредственных испытаний в полевых или лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений.

 

3.1.3. Способы получения искусственных оснований.

 

  Грунт, имеющий недостаточную прочность и высокую сжимаемость, в основании сооружения может быть заменен песчаной или гравийной подушкой. Есть еще способ поверхностного уплотнения грунтов. Уплотнение глинистых грунтов на глубину до 40-45см может быть произведено с помощью катков различных систем, виброплит или способом трамбования.

  При силикатизации в качестве основного вяжущего используется натриевое жидкое стекло, которое затвердевая цементирует грунтовые частицы превращая закрепляемый грунт в прочный и водонепроницаемый массив.

  Следующий способ – закрепление сухих и водонасыщенных песчаных грунтов с помощью карбамидной смолы. В результате взаимодействия раствора карбамидной смолы и соляной кислоты образуется гель, который связывает частицы песка в прочный монолит.

   Цементацию применяют в скальных трещиноватых породах с целью уменьшения их водонепроницаемости и укрепления. Цементный раствор заполняет трещины и пустоты в скале, что придает монолитность породе.

  Существуют также методы глинизации, битумизации грунтов, укрепление глинистых грунтов с помощью электротока (электроосушение), обжиг грунтов, искусственное замораживание грунтов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое основание, и какими они бывают?

2. Виды грунтов в основании транспортных сооружений.

3. Способы укрепления грунтов.