Инженерная геология, буровые работы

ПППА - pppa.ru


ПППА - работы, услуги, партнерство
на главную страницу сайта

Инженерная геология, буровые работы - полезная информация
к оглавлению документов и статей

Грунты, котлованы, осадка зданий и сооружений, промерзание грунтов, водоотведение, фундаменты

Грунты

При возведении сооружений необходимо учитывать несущую способность грунтов. Они могут быть связанными или несвязанными, изменение их несущей способности происходит при насыщении грунтов влагой. Несвязанные грунты состоят из зерен различной величины, которые касаются друг друга. Несвязанные грунты не удерживают воду, наличие воды (водонасыщение) практически не влияет на трение между зернами. Так как такие грунты не размягчаются, то их несущая способность не зависит от влагосодержания, а только от их плотности. Связанные грунты (суглинки, глины) имеют пластинчатое строение (глиняные лепестки). Вследствие строения поверхности глиняных лепестков связанные грунты могут набирать воду и удерживать ее. Водовосприятие размягчает поверхность глиняных пластинок, что уменьшает трение между пластинками. При этом изменяется консистенция грунта и уменьшается его несущая способность. При уменьшающемся содержании влаги несущая способность таких грунтов, соответственно, увеличивается.
 

Строительный котлован, укрепление котлованов

Фундаменты и подвальные помещения расположены ниже уровня земли. Поэтому грунт под зданием должен быть выбран и должен быть образован строительный котлован. Если требуются точные сведения о строении и последовательности слоев грунта, то необходимо провести исследования грунтов, такие, как бурение скважин, зондаж или устройство шурфов. В соответствии с видом  грунтов принимается решение о типе и конструкции фундаментов. Кроме того, необходимо проверить, не проходят ли под участком трубопроводы водоснабжения или газоснабжения, канализационные коллекторы, электрические и телефонные кабели. После этого необходимо произвести срезку верхнего слоя грунта на месте строительства сооружения. Верхним (материнским) слоем грунта называют самый верхний слой живого грунта. Он особенно богат живыми организмами. Этот слой может быть толщиной до 40 см. Верхний слой грунта должен по возможности складироваться на строительной площадке, так как он позже должен быть снова использован для покрытия и благоустройства площадки. При выемке грунта из котлована надо следить за тем, чтобы его стены укреплялись либо за счет откосов, либо за счет соответствующей обстройки. Длительные осадки, водоносные слои, мороз и динамические сотрясения могут способствовать обрушению стенок котлована. Дно котлована (подошва котлована) должно быть горизонтально, иметь проектный профиль и быть гладким. Грунтовую воду, воду из слоев грунта, поверхностные воды необходимо собирать и отводить. Чтобы иметь достаточную свободу движений, необходимо, чтобы вокруг сооружения в котловане было рабочее пространство. Это пространство должно составлять от опалубки фундамента до подошвы откоса стенки котлована не менее 50 см.
 

Обеспечение безопасности котлована

Строительные котлованы и траншеи глубиной более 1,25 м при выемке грунта должны укрепляться против обрушения или последующего сползания земли. С каждой стороны котлована надо создавать защитные полосы шириной не менее 60 см, которые должны быть свободными, или надо следить за тем, чтобы вынутый грунт или верхний грунт не могли скатиться обратно в котлован. Для оценки сложности разрыхления, нагружения, перемещения, укладки и уплотнения обычные грунты и скальный грунт подразделяются на 6 классов. Эти классы грунтов дают сведения об обрабатываемости строительных грунтов. По этим сведениям выбирают и применяют машины и механизмы для разрыхления, транспортировки и уплотнения земли и скальных грунтов. Кроме того, в зависимости от градации строительного грунта на землю или скальный грунт устанавливается угол откоса для строительных котлованов. Он меньше, чем угол естественного откоса. При глубине котлована до 1,75 м при устойчивом грунте на высоте 1,25м над уровнем дна котлована должен начинаться откос под углом 45°. В грунтах, связность которых может ухудшиться при высыхании, проникновении воды, при морозе или за счет образования скользких поверхностей, необходимо устраивать более пологие откосы или откосы с отступами (бермы). Ступени в ступенчатых стенах строительных котлованов должны быть шириной не менее 1,50 м; при этом глубина котлована не должна быть больше 3,00 м. Они также должны иметь откосы. При глубине котлованов свыше 5,00 м или при отклонениях от углов откоса необходимо рассчитывать их устойчивость. Если предполагаются дополнительные нагрузки и динамические воздействия или приходится учитывать сильное вымывание откосных стен котлована, то поверхности откосов необходимо укрывать пленкой или укреплять нанесением тонкого слоя бетона (торкретирование). В котлованах глубиной более 1,25 м необходимо иметь стремянки, выступающие не менее чем на 1,00 м над уровнем земли. При глубоких котлованах стремянки необходимо заменять лестничными маршами. Так как устройство откосов требует больших площадей на площадке, то стенки котлована могут укрепляться также и обстройкой. Это необходимо также при насыщенных влагой или грунтах с равномерным зерном. Обстройка — это вертикально стоящая стена из балок или стальных ригелей, которые обложены по всей плоскости полномерными брусьями толщиной минимум 5 см. Этим предотвращается обрушение стены котлована. Для предотвращения обрушения стенок котлованов брусья обстройки должны выходить не менее чем на 5 см за пределы стенки котлована. Брусья должны всей своей плоскостью подпирать землю стенки. Обстройка с горизонтальной опалубкой (укрепление брусьями) должна устраиваться постоянно вслед за обустройством котлована. Эти работы следует начинать при глубине котлована 1,25 м. При обстройке между рамными или установленными в буровые скважины стальными стойками брусья устанавливаются горизонтально между фланцами вертикальных стальных стоек. Брусья должны быть такими длинными, чтобы глубина опорной части соответствовала не менее четверти ширины фланца. Брусья необходимо закрепить досками и клиньями, причем клинья следует в свою очередь закрепить досками от смещения. При обстройке вертикальной опалубкой в узких котлованах вертикально стоящие брусья своими нижними торцами вбиваются в подошву котлована и раскрепляются горизонтальными деревянными стяжками на расстоянии 1,75 м друг от друга. Деревянные стяжки должны иметь сечение минимум 12 х 16 см. Закрепление стенок обстройкой должно вестись по мере разработки котлована. Предписания по устройству этого типа обстройки соответствуют предписаниям для обстройки горизонтальной опалубкой. Если котлован укрепляется шпунтовыми стенами, то перед началом земляных работ шпунтовые профили устанавливаются в землю. Шпунтовые профили или шпунтовые брусья на длинных сторонах имеют так называемые замки, которые служат направляющими при вбивании шпунта. Вследствие того, что шпунт может воспринимать большие растягивающие и сжимающие нагрузки, раскрепление и придание жесткости шпунтовым стенам необходимо устраивать на больших расстояниях в продольном направлении, чем в других случаях обстройки. Шпунтовые стены имеют то преимущество, что они в значительной степени водонепроницаемы. Поэтому они применяются для укрепления стенок котлованов при гидротехнических работах. Глубокие котлованы рядом с дорогами с интенсивным движением и с застроенными участками укрепляются стенами из буронабивных свай. Для этого в земле бурятся скважины. В них вставляется арматура. Потом их бетонируют. Сваи могут стоять непосредственно рядом друг с другом или на некоторых расстояниях. При этом промежутки между ними заполняются бетонными стенами.
 

Распределение давления в грунте

Вследствие веса сооружения в фундаментах возникают напряжения сжатия, которые должны быть распределены по грунту основания как можно более равномерно. Упрощенно принимают, что давление от фундамента на землю распространяется под углом в 45°. В действительности давление распространяется в форме луковицы под основанием сооружения. При этом получаются линии равных сжимающих напряжений, называемые изобарами. Распределение этих изобар называется также «луковицей давлений». По распределению изобар видно, что сжимающие напряжения под подошвой самые большие. В случае точечного фундамента напряжения уже на глубине, равной удвоенной ширине подошвы фундамента, почти равны нулю. В случае ленточных фундаментов это происходит на глубине, равной утроенной ширине подошвы. Изобары различных фундаментов не должны пересекаться, так как в районе пересечения происходит увеличение напряжений. Это может привести к непрогнозируемым осадкам здания (сооружения).
 

Осадка зданий и разрушение грунта

Грунт как строительное основание должен воспринимать силы и нагрузки от сооружения. При этом строительное основание при нагрузке на него может сжиматься и деформироваться. Здание осаживается равномерно на несколько миллиметров. Это называется осадкой. Равномерные осадки обычно не угрожают зданию, и в нем не возникает осадочных разрушений. Однако если напряжения от двух рядом стоящих фундаментов пересекаются, то есть накладываются друг на друга, или под зданием имеет место неравномерное строение слоев грунта основания, то это может иметь следствием неравномерные осадки. При этом здание может наклониться в сторону или могут возникнуть осадочные трещины. Могут даже возникнуть строительные повреждения, которые сделают невозможным дальнейшее использование здания или сооружения. Связанные и несвязанные грунты имеют различное поведение в смысле осадок во времени, которое можно определить с помощью испытания грунта на сжатие. При нагружении связанных грунтов вода, находящаяся между отдельными зернами или пластинками грунта (вода в порах), будет выдавливаться. Вытеснение воды из пор происходит очень долго. Поэтому осадки в связанных грунтах могут продолжаться в течение многих лет. Размер осадок в зависимости от количества воды в порах может быть очень большим. При нагружении несвязанного грунта большие осадки произойти не могут. Зерна таких грунтов расположены очень тесно относительно друг друга. Таким образом, нагрузка передается от зерна к зерну и распределяется между ними. Однако каркас из зерен (гранул) тем не менее, может более тесно сжиматься под нагрузкой. Это происходит уже при нагружении грунта. Для того чтобы избежать опасности осадок в связанных грунтах, на практике связанный грунт на определенную глубину заменяется несвязанным грунтом (замена грунта). Если несущая способность грунта будет превышена, наступает разрушение грунта. При этом фундамент начинает скользить по шву скольжения вбок, и сооружение резко осаживается или разрушается.
 

Поведение грунта при морозе (промерзание)

Мокрый связанный грунт особенно чувствителен к морозу. Мороз проникает в зависимости от климатических условий примерно от 0,80 до 1,75 м в глубину грунта. До этой глубины, глубины промерзания, вода, находящаяся в грунте, может замерзать. При этом объем воды увеличивается примерно на 10%. Так как в промокшем пространстве в порах связанного грунта нет места для увеличения объема, то грунт начинает подниматься вверх. При этом говорят о морозном пучении грунта. Ледяные линзы возникают потому, что вследствие капиллярного действия влага поднимается из незамерзших слоев грунта и замерзает при попадании в зону мороза. Эти морозные выпучивания обусловлены ледяными линзами, которые в зависимости от влажности и капиллярности грунта могут быть различной величины, и могут приводить к значительным морозным разрушениям. Морозные разрушения в большинстве случаев проявляются только после оттаивания грунта, например как выпучивание садовых стен, как трещины в строительных конструкциях или как повреждения дорожного покрытия.
 

Удержание воды

Возведение сооружений требует, как правило, сухих котлованов. Попадание поверхностной воды (верховодки), воды, текущей по водоупорному слою, или грунтовых вод в котлован вызывает опасность обрушения откосов и стен котлована. Для того чтобы эту опасность исключить, необходимо предотвратить попадание воды в котлован или, соответственно, удалить воду, попавшую туда. Все мероприятия для поддержания котлована в сухом состоянии называют удержанием воды. При удалении воды из котлованов или траншей различают открытое удержание воды и водопонижение. При открытом удержании воды попадающая в котлован поверхностная вода или вода в слоях грунта собирается в углубленной части котлована, в так называемое насосное болото, вне периметра строящегося здания и откачивается из котлована. Поэтому дно котлована надо спланировать таким образом, чтобы к этому месту проходили уклоны. По краям котлована могут быть устроены дренажные трубы или канавы, в которых должна собираться вода из слоев грунта или просачивающаяся вода, выходящая из откосов, которая затем должна отводиться к насосному болоту. С помощью этих мероприятий предотвращается заболачивание дна котлована и обеспечивается нормальное проведение работ по устройству фундаментов. Открытое удержание воды возможно также тогда, когда дно котлована в незначительной степени лежит ниже уровня грунтовых вод. Если подошва котлована лежит глубже существующего уровня грунтовых вод, то требуется понижение уровня грунтовых вод. С помощью всасывающих труб, которые расставляются на небольших расстояниях по площади котлована и объединяются кольцевым трубопроводом, связанным с откачивающим насосом, уровень грунтовых вод понижается и удерживается ниже уровня дна котлована, по меньшей мере, на 50 см. Таким образом, котлован может поддерживаться сухим для проведения фундаментных работ. Однако необходимо следить за тем, чтобы водопонижение не привело к осадкам сооружения, не повлияло на водоснабжение и не привело к изменениям окружающей среды.
 

Фундаменты

Фундаменты имеют задачу обеспечить устойчивость сооружения и предотвратить неравномерные осадки. Фундаменты воспринимают все нагрузки от сооружения и передают их на грунт основания. Они выполняются в виде плоских фундаментов и заглубленных фундаментов.

Разновидности фундаментов

Ленточные фундаменты устраиваются под такими частями зданий, как стены, которые нагружены равномерно. Они имеют прямоугольное сечение и протяженны по длине. Ленточные фундаменты выполняются в большинстве случаев из неармированного бетона. Как правило, они бетонируются до уровня земли. Если они должны воспринимать отдельные нагрузки, то требуется их армировать. Для назначения размеров фундаментов наряду с нагрузкой от здания определяющим является также несущая способность грунта. Эти значения действительны только тогда, когда грунты защищены от вымывания водой, от размягчения и замораживания. Кроме того, в фундаментах необходимо учитывать глубину заделки. Под глубиной заделки понимают величину от подошвы фундамента до дна котлована. Давление на грунт от сооружения получают из соотношения нагрузки и площади подошвы фундамента.

Давление на грунт = нагрузка/площадь подошвы a = F/A [МН/м2].

Чтобы допустимое давление на грунт не было превышено, фундамент должен иметь соответствующую площадь подошвы. Последняя рассчитывается как требуемая площадь подошвы:

Требуемая площадь подошвы = нагрузка/допустимое давление на грунт

Отсюда следует, что при меньшем допустимом давлении на грунт требуется большая площадь подошвы фундаментов, при большем допустимом давлении - меньшая площадь подошвы. Нагрузка, которая передается на фундамент, распределяется с подошвы стены на подошву фундамента. Высота фундамента при ленточных фундаментах из неармированного бетона получается из удвоенного расстояния между границей стены на фундаменте и внешним обрезом фундамента. Это расстояние называется обрезом фундамента е. При этом исходят из того, что стоящая на фундаменте стена проходит по центральной оси фундамента и нагрузка распределяется на подошву фундамента под углом 63,5°.

Высота фундамента h > 2 обрез фундамента е.

Высота фундамента при некоторых обстоятельствах должна быть выше, чем это статически необходимо, например для того, чтобы достигнуть слоев ниже глубины промерзания. Также и ширина фундамента зависит, например, от толщины стены или от ширины ковша траншейного экскаватора. При высоких фундаментах можно сэкономить строительный материал с помощью придания сечению фундамента ступенчатой или скошенной (трапецеидальной) формы. Однако ступенчатая форма требует повышенного расхода опалубки.

Фундаменты разбиваются на дне котлована с помощью шнуровых ограждений. Траншеи для фундаментов отрываются вручную или машинным способом. При этом стенки фундаментов должны быть вертикальны, а подошва фундамента — горизонтальна. Если подошва фундамента располагается на том же уровне, что и подошва котлована, то фундаменты должны возводиться в опалубке. Армированные фундаменты в фундаментных траншеях также необходимо устраивать в опалубке, чтобы обеспечить требуемый защитный слой бетона. Кроме того, для укладки арматуры под фундаментами должен устраиваться так называемой чистый слой (арматура должна укладываться на специальные подставки из пластмассы или другого материала). Фундаментные траншеи должны иметь четкие края и быть вертикальными. Поэтому ленточные фундаменты на площадке с уклоном должны быть ступенчатыми. Ступени должны располагаться таким образом, чтобы подошва фундаментов всегда располагалась ниже глубины промерзания грунта на глубине от 0,80 до 1,75 м. Фундаменты под второстепенные постройки или части зданий, как, например, гаражи, крыльца или лестницы в подвал, должны устраиваться по тем же правилам. Если подошва фундаментов сооружаемого здания лежит глубже, чем фундаменты на соседнем участке, то под ними необходимо устройство «улавливающих» (подпорных) стенок. При этом существующие фундаменты постепенно подпираются на небольших участках этими подпорными стенками из полнотелой каменной кладки или бетона. Участки улавливающих стен необходимо возводить за один рабочий проход на всю высоту. Кроме того, фундаменты должны противостоять длительному увлажнению и быть устойчивыми против агрессивных вод.

Точечные фундаменты

При точечной нагрузке основания, например от колонн и столбов из железобетона, каменной кладки, стали или дерева, устраиваются отдельно стоящие фундаменты. При этом различают фундаменты из блоков, ступенчатые и откосные фундаменты, плитные фундаменты, а также фундаменты стаканного типа.

Блочные фундаменты

Фундаменты из блоков часто применяются при строительстве жилых зданий, как, например, под стойками балконов или под каминами, а также при строительстве садовых сооружений, например пергол. Если отдельные большие нагрузки требуют большей площади подошвы фундамента, то для значительной экономии бетона можно применять ступенчатые или откосные фундаменты. Угол распределения нагрузки 63,5° в таких фундаментах может быть особенно хорошо воспроизведен. По причине сложности опалубки ступенчатые фундаменты применяются меньше.

Фундаменты из плит

Плитные фундаменты являются одним из экономичных видов фундаментов при больших сосредоточенных нагрузках, как, например, под колоннами. Из-за небольшой толщины плиты эти фундаменты необходимо армировать как против разрушения плиты за пределами угла распределения нагрузки, который в этом случае принимается равным 45°, так и против продавливания плиты стоящей на ней колонной. Отдельно стоящие фундаменты под колонны в сборном строительстве часто выполняются в виде фундаментов стаканного типа или гильзовых фундаментов. Эти фундаменты - армированные и состоят из распределяющей нагрузку фундаментной плиты, а также армированного стакана для защемления колонны. Плитные фундаменты подходят в качестве фундаментов для слабых грунтов или в случае грунтов различного типа под одним сооружением. При применении в качестве основания фундаментных плит нагрузка от всего сооружения распределяется на всю фундаментную плиту и тем самым снижается давление на грунт. Плитные фундаменты - это проходящие подо всем сооружением железобетонные плиты.

Фундаменты ванного типа

Фундаменты ванного типа необходимы, когда помимо вертикальных нагрузок необходимо воспринимать также и горизонтальные нагрузки, например от давления воды. Эти воздействия передаются на землю с помощью фундаментной плиты и обрамляющих стен подвала. Для этого плита основания, обрамляющие стены и внутренние стены ванны с помощью армирования связываются в одно замкнутое тело основания.

Фундаменты глубокого заложения

Фундаменты глубокого заложения необходимы, когда сооружение должно строиться на водосодержащих и болотистых грунтах. При этом пробивают слабо несущие слои грунта до нижележащих грунтов с большей несущей способностью, на которые уже можно опирать сооружение. Различают столбчатые фундаменты, свайные фундаменты и фундаменты в виде опускных колодцев или фундаменты сжатого воздуха. С помощью столбчатых фундаментов устраиваются опоры под углы стен и пересечения стен. Стены, лежащие между ними, могут опираться на лежащие на этих столбах железобетонные балки. Столбы монтируются из бетона или железобетона. В свайных фундаментах сваи, как правило, погружаются в землю на такую глубину, чтобы они могли передать нагрузку на несущие слои грунта (сваи — стойки). Если строительный грунт состоит только из мягких слоев, то нагрузки от сооружения могут передаваться на грунт только за счет трения между поверхностями сваи и грунтом (сваи трения или висячие сваи). Для свайных фундаментов применяют сваи из монолитного бетона или предварительно изготовленные сваи. Сваи из монолитного бетона, которые называют также буронабивными сваями, бетонируются в грунте. При этом бурятся скважины диаметром до 2,5 м и глубиной до 50 м. При недостаточно прочных видах грунтов для укрепления в скважину устанавливаются стальные трубы, которые при бетонировании постепенно вытягиваются из скважины. Монолитные бетонные сваи могут быть армированными и не армированными. Предварительно изготовленные сваи забиваются, погружаются вибрационным методом или вибрационно-гидравлическим методом или вставляются в подготовленную буровую скважину. Они могут быть из дерева, стали, железобетона или предварительно напряженного железобетона. Железобетонные предварительно изготовленные сваи могут быть круглого, квадратного, прямоугольного и двутаврового сечения. В случае фундаментов на сжатом воздухе или опускных колодцев фундамент бетонируется на площадке в виде открытого снизу объема в виде ящика или стакана. Для погружения такого колодца грунт под ним вынимается или вымывается. Чтобы предотвратить проникновение воды, внутри ящика создается с помощью сжатого воздуха соответствующее избыточное давление. Этот метод устройства оснований подходит в основном для шахтных сооружений в грунтах с высокими слоями ила, песка и гравия.

ПППА - работы, услуги, партнерство
на главную страницу сайта

Инженерная геология, буровые работы - полезная информация
к оглавлению документов и статей


ПППА - контактная информация на этой странице


pppa.ru © ПППА