Что такое естественное основание
Понятие об основаниях и требования к ним
Основанием называется массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания. Основания бывают двух видов: естественные и искусственные.
Естественным основанием называют грунт, залегающий под фундаментом и способный в своем природном состоянии выдержать нагрузку от возведенного здания.
Искусственным основанием называют искусственно уплотненный или упрочненный грунт, который в природном состоянии не обладает достаточной несущей способностью по глубине заложения фундамента.
Действующие нагрузки деформируют основания, вызывая осадку здания.
В соответствии с изложенным грунты, составляющие основание, должны отвечать следующим требованиям: обладать достаточной несущей способностью, а также малой и равномерной сжимаемостью (большие и неравномерные осадки здания могут привести к его повреждению и даже разрушению); не быть пучинистыми, т.е. иметь свойство увеличения объема при замерзании влаги в порах грунта (в соответствии с этим требованием выбирают глубину заложения фундамента, которая должна быть согласована с глубиной промерзания грунта в районе строительства), не размываться и не растворяться грунтовыми водами, что также приводит к снижению прочности основания и появлению непредусмотренных осадок здания; не допускать просадок и оползней.
Просадки могут произойти при недостаточной мощности слоя грунта, принятого за основание, если под ним располагается грунт, имеющий меньшую прочность (более слабый грунт). Оползни грунта могут произойти при наклонном расположении пластов грунта, ограниченных крутым рельефом местности.
Главное внимание при проектировании уделяется вопросу обеспечения равномерности осадок. При этом необходимо прежде всего учитывать, что нагрузка от здания может вызвать разрушение основания при его недостаточной несущей способности. С другой стороны, основание может и не разрушиться, но осадка здания окажется столь неравномерной, что в стенах здания появятся трещины, а в конструкциях возникнут усилия, способные привести к аварийному состоянию всего здания или его части.
Грунтовые воды оказывают значительное влияние на структуру, физическое состояние и механические свойства грунтов, снижая несущую способность основания.
Если в грунте содержатся легко растворимые в воде вещества (например, гипс), возможно его выщелачивание, что влечет за собой увеличение пористости основания и снижение его несущей способности. Для этого в необходимых случаях снижают уровень грунтовых вод. В случаях, когда скорость движения грунтовых вод такая, что возможно вымывание частиц мелкозернистых грунтов, необходимо применять меры по защите основания. Для этого устраивают вокруг здания специальное шпунтовое ограждение или дренаж.
Каковы же основные виды грунтов и их свойства? Грунты разнообразны по составу, структуре и характеру залегания. Принята следующая строительная классификация грунтов:
Скальные – залегают в виде сплошного массива (граниты, кварциты, песчаники и т.д.) или трещиноватого слоя. Они водоустойчивы, несжимаемы и при отсутствии трещин и пустот являются наиболее прочными и надежными основаниями. Трещиноватые слои скальных грунтов менее прочны.
Крупнообломочные – несвязные обломки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (свыше 50%). К ним можно отнести гравий, щебень, гальку, дресву. Эти грунты являются хорошим основанием, если под ними расположен плотный слой.
Песчаные – состоят из частиц крупностью от 0,1 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц пески разделяют на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Чем крупнее и чище пески, тем большую нагрузку может выдержать слой основания из него. Сжимаемость плотного песка невелика, но скорость уплотнения под нагрузкой значительна, поэтому осадка сооружений на таких основаниях быстро прекращается. Пески не обладают свойством пластичности.
Частицы грунта крупностью от 0,05 до 0,005 мм называют пылеватыми. Если в песке таких частиц от 15 до 50 %, то их относят к категории пылеватых. Когда в грунте пылеватых частиц больше, чем песчаных, грунт называют пылеватым.
Глинистые – связные грунты, состоящие из частиц крупностью менее 0,005 мм, имеющих в основном чешуйчатую форму. В отличие от песков глины имеют тонкие капилляры и большую удельную поверхность соприкосновения между частицами. Так как поры глинистых грунтов в большинстве случаев заполнены водой, то при промерзании глины происходит ее пучение. Несущая способность глинистых оснований зависит от влажности. Сухая глина может выдерживать довольно большую нагрузку. Глинистые грунты делятся на глины (с содержанием глинистых частиц более 30%), суглинки (10-30%) и супеси (3-10%).
Лессовые (макропористые) – глинистые грунты с содержанием большого количества пылеватых частиц и наличием крупных пор (макропор) в виде вертикальных трубочек, видимых невооруженным глазом. Эти грунты в сухом состоянии обладают достаточной прочностью, но при увлажнении способны давать под нагрузкой большие осадки. Они относятся к просадочным грунтам и при возведении на них зданий требуют надлежащей защиты оснований от увлажнения. С органическими примесями (растительный грунт, ил, торф, болотный торф) они неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной сжимаемостью. В качестве естественных оснований под здания непригодны.
Насыпные – образовавшиеся искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки и т.п. Обладают свойством неравномерной сжимаемости, в большинстве случаев их нельзя использовать в качестве естественных оснований под здания. В практике встречаются также намывные грунты, образовавшиеся в результате очистки рек и озер. Эти грунты называют рефулированными насыпными грунтами. Они являются хорошим основанием для зданий.
Плывуны – образуются мелкими с илистыми и глинистыми примесями, насыщенными водой. Они непригодны как естественные основания. Основания должны обеспечивать пространственную жесткость и устойчивость здания, поэтому нормами предусмотрены допустимые величины осадок здания (80-150 мм в зависимости от вида здания).
Обычно производят тщательные геологические и гидрогеологические исследования грунтов с тем, чтобы определить их физические и механические свойства, а также принять соответствующее решение о конструкциях здания. С этой целью определяют вид и мощность отдельных пластов грунта. В зависимости от этажности здания и местных условий глубина исследования колеблется от 6 до 15 м и более.
Исследование, или разведку грунтов производят путем бурения или шурфования и лабораторными анализами образцов пластов грунта. Если в зоне фундаментов обнаружены грунтовые воды, то необходимо провести их химический анализ, так как эти воды могут быть агрессивными и оказывать разрушающее воздействие на материал фундаментов.
Если грунт на участке строительства не удовлетворяет предъявляемым требованиям, а здание необходимо возводить именно в этом месте, то устраиваются искусственные основания. Такие основания при возведении зданий на слабых грунтах устраивают путем их искусственного упрочнения или заменой слабого грунта более прочным. Упрочнение грунта может быть осуществлено следующими способами:
Уплотнением – пневматическими трамбовками (иногда с втрамбованием щебня или гравия) или трамбовочными плитами массой от 2 до 4 т, который имеют вид усеченного конуса с диаметром основания не менее 1 м (из железобетона, стали или чугуна). Этот способ применяют в случае, если грунты недостаточно плотные, а также при насыпных грунтах. Для уплотнения больших площадей применяют катки массой 10-15 т. Если грунты песчаные или пылеватые, то для их уплотнения применяют также поверхностные вибраторы. Необходимо отметить, что этот метод является более эффективным, так как грунт уплотняется быстрее.
Цементацией – путем нагнетания в грунт по трубам жидкого цементного раствора или цементного молока, которые, затвердевая в порах грунта, придают ему камневидную структуру. Цементация применяется для укрепления гравелистых, крупных и среднезернистых песков.
Обжигом (термическим способом) – путем сжигания горючих продуктов, подаваемых в специально устраиваемые скважины под давлением. Этот способ применяют для укрепления лессовых просадочных грунтов.
Если уплотнить или закрепить грунт затруднительно, слой слабого грунта заменяют более прочным. Замененный слой грунта называют подушкой. При небольшой нагрузке на основание применяют песчаные подушки из крупного или средней крупности песка. Толщина подушки должна быть такой, чтобы давление на нижележащий слабый слой грунта не превышало его нормативного сопротивления.
Естественные основания. Виды грунтов и их важнейшие характеристики.
Если грунты неподвижны и способны воспринимать нагрузку без предварительного усиления, то они могут быть использованы в качестве естественных оснований.
Качество естественного основания зависит от многих факторов, однако в первую очередь, его определяет вид грунта, его влажность, уровень грунтовых вод и условия промерзания.
Естественные основания – это грунты, которые в природном состоянии имеют достаточную несущую способность, небольшую и равномерную сжимаемость, не превышающую допустимые значения.
По своему строению грунты состоят из частиц, удерживаемых от взаимного смещения различным образом: жесткой связью между зернами (спаянностью) – в сцементированных грунтах, постоянно сохраняющих свою структуру; силой трения – в сыпучих грунтах; силой сцепления – в связных грунтах.
Грунты, используемые в качестве оснований зданий и сооружений, подразделяют в зависимости от геологических характеристик на скальные и нескальные.
К скальным грунтам относятся: изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. К таким породам относят, например, граниты, базальты, песчаники, известняки. Под нагрузкой от зданий и сооружений указанные породы не сжимаются и являются наиболее прочным естественным основанием.
К нескальным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Крупнообломочные грунты по своей структуре (зерновому составу) подразделяются на щебенистые (вес частиц крупнее 10 мм составляет более половины) и дресвяные (вес частиц размером 2 – 10 мм составляет более 50 %). Если в этих грунтах преобладают окатанные частицы, они соответственно получают названия галечникового или гравийного.
Пески в сухом состоянии представляют в своей массе сыпучий грунт. По крупности частиц различают пески: гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые с соответствующим соотношением частиц от 2 мм до 0,05 мм в % от веса воздушно-сухого грунта. Песчаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков мало сжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.
Глинистые грунты относятся к категории связных грунтов с размерами плоских частиц, не превышающими 0,005 мм, и толщиной менее 0,001 мм. Глинистые частицы скреплены силами внутреннего сцепления, величина которого зависит от влажности грунта. Глинистые грунты пластичны, т.е. способны при увлажнении переходить из твердого состояния в пластическое и даже в текучее. Глинистые грунты, находящиеся в твердом сухом состоянии, служат прочным основанием.
К глинистым грунтам относятся также суглинки и супеси, содержащие наряду с глинистыми частицами примеси песка. Содержание этих примесей характеризуется так называемым «числом пластичности». Для супесей это значение составляет от 0,01 до 0,07, для суглинков – от 0,07 до 0,17.
При наличии в глинистых грунтах до 15 – 25 % (по весу частиц крупнее 2 мм к указанным наименованиям должны прибавляться термины «с галькой» («со щебнем») или «с гравием» («с дресвой»); если же содержание частиц составляет 25 – 50 % (по весу) прибавляются термины «галечниковый» («щебенистый»), «гравелистый» («дресвянистый»). При наличии частиц крупнее 2 мм более 50 % (по весу) грунты относятся к крупнообломочным.
В зависимости от степени влажности или степени заполнения пор водой различают грунты маловлажные, влажные и насыщенные водой. Крупнообломочные и песчаные грунты с крупностью частиц выше средней при увлажнении мало сжимаемы и могут служить устойчивым основанием. Увлажнение мелкозернистых песчаных грунтов снижает их несущую способность тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта увлажнение пылеватых песков с глинистыми и илистыми примесями. Такие грунты в водонасыщенном состоянии становятся текучими и называются плывунами. Возведение зданий на таких грунтах требует дополнительных мер по усилению основания.
В строительной практике встречаются насыпные грунты – искусственные насыпи, образованные в результате культурной и производственной деятельности человека. Такие грунты формируются при засыпке оврагов, высохших водоемов, на месте свалок и отходов производства и т.п.
Плотность насыпных грунтов часто зависит от характера подстилающего слоя и состава насыпи (наличие мусора, шлаков и др.). Вопрос об использовании насыпных грунтов в качестве основания для зданий и сооружений рассматривается в каждом отдельном случае в зависимости от характера грунта и возраста насыпи. Так, например, песчаные насыпи, в своей основе содержащие песок, самоуплотняются через 2-3 года, а глинистые – через 5 – 7 лет, после чего они могут быть использованы в качестве естественного основания. Несущая способность глинистых грунтов при их увлажнении значительно снижается. При замерзании влажных глинистых грунтов основания происходит замерзание воды в порах: происходит так называемое «пучение», которое часто является причиной деформаций фундаментов и зданий. Поэтому глубина заложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, ниже глубины зимнего промерзания на 15 – 20 см.
Глинистые грунты (например, лессы и лессовидные), обладающие в природном состоянии видными невооруженным глазом крупными порами (макропорами), называют макропористыми грунтами. При увлажнении такие грунты из-за содержания в них растворимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки. Указанные грунты называют просадочными и для обеспечения необходимой прочности и устойчивости возводимых на таких грунтах зданий и сооружений должны выполняться специальные мероприятия по укреплению грунтов основания и по защите их от увлажнения.
Грунтовые воды образуются в результате проникновения в грунт атмосферных осадков. Дойдя до водонепроницаемого слоя («водоупора»), например слоя глины, вода стекает по его склону, просачиваясь через водопроницаемые слои (крупнозернистые и т.п.). Уровень дренируемой воды зависит от близости водоупора к поверхности, от сезонных колебаний уровней воды в водоемах местности и т.п. Этот уровень, называемый уровнем грунтовых вод, может изменяться еще и от проникновения воды сверху – так называемой верховодки при таянии снегов, дождях и при наличии прослоек глинистых грунтов, задерживающих движение воды.
В зависимости от гидрогеологических условий, слои грунта могут быть в различной степени насыщены грунтовой водой. Крупнозернистые грунты содержат ее в том случае, если ниже них залегают водоупорные слои. Мелкозернистые грунты могут содержать грунтовую воду частично или полностью, а глинистые грунты в силу своей большой влагоемкости чаще всего имеют только капиллярную (связную) воду.
Грунтовые воды, содержащие растворенные примеси солей и других веществ, разрушающих материал фундаментов, называют агрессивными.
Для защиты от агрессивных грунтовых вод создаются специальные конструкции, способные работать в агрессивной среде и защищающие фундаменты от разрушения (СНиП 3.02.01-83).
Грунты, имеющие в своем составе лед, называют мерзлыми. Грунты, промерзающие только в течение одного зимнего времени, называются сезонно-мерзлыми; сохраняющие мерзлое состояние непрерывно в продолжении долгих лет – вечномерзлыми. Сезонно-мерзлые грунты в зимнее время под воздействием нулевой или отрицательной температуры района строительства промерзают на некоторую глубину.
Промерзание некоторых из этих грунтов может вызвать их пучение. Грунты, в которых присутствует значительное количество глины (супеси, суглинки и глины), называют вспучивающимися при замерзании. Остальные грунты (пески, гравелистые и др.) составляют группу невспучивающихся при замерзании. Силы пучения всегда направлены снизу вверх, в процессе замерзания или оттаивания происходит смещение отдельных участков поверхности относительно друг друга. По степени пучения грунты разделяются на сильно пучинистые, пучинистые и непучинистые. Более всего пучинят глинистые грунты. При насыщении водой в небольшой степени пучинят мелкие пески. Крупнообломочные и песчаные грунты крупных фракций не пучинят даже в насыщенном водой состоянии. В скальных породах и крупнообломочных грунтах деформации грунта, развивающиеся при замерзании, незначительны либо вовсе отсутствуют.
Естественные и искусственные основания, способ искусственного закрепления грунтов.
Прочность и устойчивость зданий и сооружений в значительной мере зависят от правильного выбора оснований и конструктивного решения фундаментов. Для проектирования оснований и фундаментов необходимо знать геологическое строение и несущую способность слоя грунта, принятого в качестве основания, глубину его промерзания и режим грунтовых вод.
Основанием называют толщу грунта или скальных пород, расположенных под фундаментом и воспринимающих нагрузку от здания или сооружения.
Если основанием служат грунты в условиях естественного залегания, то их называют естественными основаниями, а грунты, предварительно уплотненные и укрепленные теми или иными способами, — искусственно улучшенными основаниями сооружений.
Правильный выбор прочного, надежного и экономичного основания возможен в результате всестороннего изучения геологических и гидрогеологических условий места строительства. С этой целью на строительной площадке проводят инженерно-геологические изыскания — определяют общее геологическое и гидрогеологическое строение района строительства и детальное расположение и мощность пластов грунта, их физические и механические свойства, а также положение уровня грунтовых вод на участках, предназначенных для отдельных зданий и сооружений.
Исследования должны обосновать выбор основания будущего здания или сооружения и определить величину расчетного давления.
В качестве естественных и искусственно улучшенных оснований могут служить различные виды грунтов: пески, супеси, суглинки, глины, лессы, мергель, гравий, щебень, скальные породы.
Естественные основания. Все грунты, используемые в качестве естественных оснований, должны иметь необходимую прочность, небольшую и равномерную сжимаемость (деформативность), хорошо сопротивляться действию грунтовых вод, не подвергаться пучению при промерзании, иметь достаточную мощность слоя и обладать неподвижностью.
Грунты оснований под действием нагрузки от здания или сооружения деформируются. Деформацию основания, не сопровождающуюся коренным изменением сложения грунта, называют осадкой, а значительное оседание отдельных пластов грунта с выпиранием грунта из-под подошвы фундамента — просадкой.
Надежным основанием для сооружений являются скальные породы и крупнообломочные грунты, обладающие высокой несущей способностью и малой деформативностью.
Песчаные грунты ввиду малой сжимаемости песка и большой скорости его уплотнения под нагрузкой служат также надежным естественным основанием. При этом чем крупнее зерна и плотнее песчаный грунт, тем меньше осадка под нагрузкой и выше несущая способность.
Глинистые грунты являются связными породами. Они обладают пластичностью, большей пористостью и сжимаемостью, уменьшаются в объеме при высыхании и увеличиваются при увлажнении. Глина сильно поглощает воду и при насыщении становится водонепроницаемой; при замерзании она пучится. Сухая глина обладает большой прочностью и является хорошим основанием; несущая способность пластической и разжиженной глины резко снижается. Суглинки и супеси, относящиеся к глинистым грунтам, представляют собой смесь глины, песка и пылеватых частиц.
Значительное распространение имеют лессовые грунты, которые относятся к группе пылеватых суглинков. Лессовые грунты, обладающие в природном состоянии видимыми порами (макропорами), размеры которых значительно превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта, называют макропористыми грунтами. Эти грунты, содержащие растворимые в воде известь, гипс и другие соли, при увлажнении теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки. Такие грунты называют проса- дочными. При строительстве на таких грунтах предусматривают специальные меры по их укреплению и защите от увлажнения.
Искусственные основания устраивают тогда, когда грунт обладает слабой несущей способностью и не может быть использован в качестве естественного основания, Такие основания создают путем уплотнения, закрепления, замены слабого грунта грунтом с большей несущей способностью или путем передачи нагрузки на заглубленные слои грунта при помощи специальных инженерных устройств (сваи, опускные колодцы и др.). Искусственное улучшение свойств слабого грунта достигается путем поверхностного или глубинного уплотнения. Поверхностное уплотнение грунта осуществляют катками (на глубину 15—20 см), пневматическими трамбовками или трамбовочными плитами (на глубину до 1,5—2 м) и другими механическими способами.
Глубинное уплотнение слабых грунтов выполняют при помощи грунтовых или песчаных свай, образуемых путем пробивания скважин и заполнения их песком или грунтовым материалом с уплотнением.
Простейшим видом грунтовых искусственных оснований являются песчаные подушки. Слой слабого грунта под будущим фундаментом удаляют и вместо него насыпают песок (с тщательным уплотнением). Подушки можно устраивать также из материала большой несущей способности: гравия, щебня или смеси грунта с гравием или щебнем.
К более сложным способам искусственного улучшения свойств грунтов относят закрепление их различными вяжущими материалами, нагнетаемыми под давлением через инъекторы: цементным молоком (цементация), раствором жидкого стекла и отвердителя (силикатизация), горячим битумом или холодной битумной мастикой (битумизация). Вяжущие материалы после отвердения связывают частицы грунта в прочный камневидный монолит.
Цементации подвергают грунты, представляющие собой крупные и среднезернистые пески; силикатизацию грунта применяют при упрочнении пылеватых песков и лессовых грунтов. Битумизация обломочных грунтов способствует их упрочнению и предотвращению фильтрации грунтовых вод. Лессовидные просадочные грунты и пористые суглинки (неводонасыщенные) можно закреплять термическим способом — обжигом на глубину до 15 м раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины диаметром 15—20 см.
Упрочнение слабых грунтов при создании искусственных оснований способствует увеличению их несущей способности до заданной величины.
Несущая способность основания определяется нагрузкой, при которой осадка (сжимаемость) грунта по величине и равномерности соответствует нормам. Нагрузка — расчетное давление на основание — выражается в МПа. Осадка основания зависит не только от нагрузки и степени сжимаемости, но и от формы и размеров подошвы фундамента.
Прочность и устойчивость зданий и сооружений в значительной мере зависят от правильного выбора оснований и конструктивного решения фундаментов. Для проектирования оснований и Фундаментов необходимо знать геологическое строение и несущую способность слоя грунта, принятого в качестве основания, глубину его промерзания и режим грунтовых вод. Основанием называют толщину грунта или скальных пород, расположенных под фундаментом и воспринимающих нагрузку от здания или сооружения. Если основанием служат грунты в условиях естественного залегания, то их называют естественными основаниями сооружений.
Правильный выбор прочного, надлежащего и экономичного основания возможен в результате всестороннего изучения геологических и гидрогеологических условий места строительства. С этой целью на строительной площадке проводят инженерно-геологические изыскания — определяют общее геологическое и гидрогеологическое строение района строительства, детальное расположение и мощность грунта, их физические и механические свойства, а также уровень грунтовых вод на участках, предназначенных для отдельных зданий и сооружений. Исследования должны обосновывать выбор основания будущего здания или сооружения и определить величину расчетного давления. В качестве естественных и искуст-венных оснований могут служить различные виды грунтов: песок, супесь, суглинок, глина, лёсс, мергель, гравий, щебень, скальные породы.
Все грунты, используемые в качестве естественных оснований, должны иметь необходимую прочность, небольшую и равномерную сжимаемость (деформативность), должны хорошо сопротивляться действию грунтовых вод, не подвергаться пучению и промерзанию, иметь достаточную прочность слоя и обладать неподвижностью. Грунты оснований под действием нагрузки от здания или сооружения деформируются.
Деформация основания, не сопровождающаяся коренным изменением сложения грунта, называется осадкой, а значительное оседание отдельных пластов грунта с выпиранием грунта из-под подошвы фундамента — просадкой. Наиболее надежным основанием сооружений являются скальные породы, крупнообломочные грунты, обладающие высокой несущей способностью и малой деформативностью.
Песчаные грунты ввиду малой ожимаемости песка и большой скорости его уплотнения под нагрузкой служат также надежным естественным основанием. При этом чем крупнее зерна и плотнее песчаный грунт, тем меньше осадка под нагрузкой и выше несущая способность.
Глинистые грунты являются связными породами. Они обладают пластичностью, большой пористостью и сжимаемостью, уменьшаются в объеме пр высыхании и увеличиваются при увлажнении. Глина сильно поглощает воду и при насыщении становится водопроницаемой, а при замерзании она пучится. Сухая глина обладает большой прочностью и является хорошим основанием. Несущая способность пластической и разжиженной глины резко снижается. Суглинки и супеси, относящиеся к глинистым грунтам, представляют собой смесь глины, песка и пылеватых частиц.
Значительное распространение имеют лессовые грунты, обладающие в природном состоянии видимыми порами (макропорами), размеры которых значительно превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта. Эти грунты, содержащие растворимые в воде известь, гипс и другие соли, при увлажнении теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки, поэтому они называются просадочными. При строительстве на таких грунтах предусматривают специальные меры по их укреплению и защите от увлажнения.
Искусственные основания устраивают тогда, когда грунт обладает слабой несущей способностью и не может быть использован в качестве естественного основания.
Такие основания создают путем уплотнения, закрепления, замены слабого грунта грунтом большей несущей способности или путем передачи нагрузки на заглубленные слои грунта с помощью специальных инженерных устройств (сваи, опускные колодцы). Искусственное улучшение свойств слабого грунта достигается путем поверхностного или глубинного уплотнения. Поверхностное уплотнение грунта осуществляется катками (на глубину 15— 20 см), пневматическими трамбовками или трамбовочными плитами (на глубину до 1,5—2 м) и другими механическими способами. Глубинное уплотнение слабых грунтов выполняют с помощью грунтовых или песчаных свай, образуемых путем пробивания скважин и заполнения их песком или грунтовым материалом с уплотнением.
Простейшим видом грунтовых искусственных оснований являются песчаные подушки. Слой слабого грунта под будущим фундаментом удаляют и вместо него насыпают песок с тщательным уплотнением. Подушки можно устраивать также из материала большой несущей способности: гравия, щебня или смеси грунта с гравием или щебнем.
К более сложным способам искусственного уплотнения грунтов относят закрепление их различными вяжущими материалами, нагнетаемыми под давлением через инъекторы: цементным молоком (цементация), раствором жидкого стекла и отвердителя (силикатизация), горячим битумом или холодной битумной мастикой (битумизация). Вяжущие материалы после отвердения связывают частицы грунта в прочный камневидный монолит. Цементации подвергают грунты, представляющие собой крупные и сред-незернистые пески; силикатизацию грунта применяют при упрочении пылеватых песков и лессовых грунтов. Битумизация обломочных грунтов способствует их упрочению и предотвращению фильтрации грунтовых вод.
Лессовидные просадочные грунты и пористые суглинки (нево-Донасыщенные) можно закреплять термическим способом — обжигом на глубину до 15 м раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины диаметром 15—20 см.
Упрочение слабых грунтов при создании искусственных оснований способствует увеличению их несущей способности до заданной величины. Несущая способность основания определяется нагрузку при которой осадка (сжимаемость) грунта по величине и равномерности соответствует нормам.
Осадка основания зависит не только от нагрузки и степени сжимаемости, но и от формы и размеров подошв фундамента.
9. Функциональные основы проектирования гражданских зданий
Классификация гражданских зданий по назначению
Гражданские здания подразделяются на жилые и общественные.
1.1.1. Жилые здания
Жилые здания по назначению подразделяются на:
жилые дома массового строительства, предназначенные для постоянного проживания;
общежития, предназначенные для длительного временного проживания;
гостиницы для кратковременного проживания;
дома для престарелых и инвалидов, предназначенные для постоянного проживания лиц старше 60 лет и инвалидов, нуждающихся в систематической помощи.
1.1.2. Общественные здания
Общественные здания по назначению подразделяются на:
1.
Здания и помещения учебно-воспитательного назначения
дошкольные образовательные учреждения;
общеобразовательные учреждения (школы, гимназии, лицеи, колледжи);
учреждения профессионального образования (начального, среднего, высшего и последипломного);
внешкольные учреждения (школьников и молодежи);
специализированные учреждения (аэроклубы, автошколы, оборонные учебные заведения и т. п.);
2.
Здания и помещения здравоохранения и социального обслуживания населения
лечебные учреждения со стационаром, медицинские центры и т. п.;
амбулаторно-поликлинические и медико-оздоровительные учреждения;
аптеки, молочные кухни, станции переливания крови и т. п.;
медико-реабилитационные и коррекционные учреждения, в т. ч. для детей;
учреждения социального обслуживания населения без стационара;
то же, со стационаром, в т. ч. попечительные учреждения для детей;
3. Здания и помещения сервисного обслуживания населения
предприятия розничной и мелкооптовой торговли;
предприятия питания;
предприятия бытового обслуживания населения;
учреждения коммунального хозяйства, предназначенные для непосредственного обслуживания населения;
учреждения гражданских обрядов;
учреждения и предприятия связи, предназначенные для непосредственного обслуживания населения;
вокзалы всех видов транспорта;
учреждения обслуживания пассажиров ( в т. ч. туристов);
сооружения, здания и помещения санитарно-бытового назначения;
ветеринарные учреждения.
4.Сооружения, здания и помещения для культурно-досуговой деятельности населения и религиозных обрядов
физкультурные, спортивные и физкультурно-досуговые учреждения;
библиотеки и читальные залы;
музеи и выставочные залы;
религиозные организации и учреждения для населения;
зрелищные учреждения;
клубные и досугово-развлекательные учреждения;
дельфинарии, аквапарки, комплексы аттракционов и т. п.
2.
Общие требования при проектировании планировочных решений гражданских зданий
1.2.1. Жилые здания
1. Высота жилых этажей от пола до потолка должна быть не менее 2.5 м. Высота внутриквартирных коридоров – не менее 2.1 м. В жилых помещениях и в кухне, расположенных в мансардном этаже, допускается меньшая высота относительно нормируемой на площади, не превышающей 50 % общей площади помещения.
2. Этажность и протяженность здания определяют проектом застройки. При этом дома для престарелых следует проектировать не выше девяти этажей, для семей с инвалидами – не выше пяти этажей. Допускается здания I, II и III степеней огнестойкости надстраивать одним мансардным этажом с несущими элементами, имеющими предел огнестойкости не менее R 45. При определении этажности наземной части здания в число этажей включают в том числе технический (для размещения инженерного оборудования), мансардный и цокольный, если верх его перекрытия находится выше средней планировочной отметки земли не менее чем на 2 м.
3. Наружные входы. При всех наружных входах в жилые здания следует предусматривать тамбуры глубиной не менее 1.2 м, в домах для престарелых и семей с инвалидами – не менее 1. 5 м и шириной не менее 2.2 м. Отметка пола помещения при входе в здание должна быть выше отметки тротуара перед входом не менее чем на 0.15 м.
5. Естественное освещение должны иметь все жилые комнаты, кухни, лестничные клетки и общие коридоры в жилых зданиях коридорного типа. При этом отношение площади светопроемов к площади пола для жилых комнат и кухонь должно находиться в пределах 1/5.5-1/8. Длина общих коридоров не должна превышать 24 м при освещении через светопроемы в одном торце. При освещении через светопроемы в двух торцах максимальная длина общих коридоров – 48 м. При большей длине коридоров необходимо предусматривать дополнительное естественное освещение через световые карманы. Коридоры длиной до 12 м допускается устраивать без естественного освещения.
6. Инсоляция – прямое солнечное облучение помещений квартиры – оказывает бактерицидное и оздоравливающее действие на микроклимат помещений. Инсоляция должна быть обеспечена в одно-, двух-, трехкомнатных квартирах не менее чем в одной комнате; в четырех-, пяти-, шестикомнатных квартирах не менее чем в двух комнатах. Продолжительность инсоляции в период с 22 марта по 22 сентября регламентируется нормами и увязана с климатическими условиями района строительства. Требования к инсоляции оказывают влияние на ориентацию зданий по сторонам света в жилой застройке.
1.2.2. Общественные здания
1. Высоту помещений от пола до потолка общественных зданий следует принимать не менее 3м. Высоту основных помещений бань и банно- оздоровительных комплексов на 100 мест и более следует принимать не менее 3.3 м, а производственных помещений прачечной, химчистки – не менее 3.6 м. В отдельных помещениях вспомогательного назначения и коридорах в зависимости от объемно- планировочного решения зданий и технологических требований допускается соответствующее уменьшение высоты. При этом высота должна быть не менее 1.9 м. Высоту помещений в общественных зданиях общей вместимостью до 40 человек, а предприятий розничной торговли торговой площадью до 250 м 2 допускается принимать по высоте помещений жилых зданий. В помещении с наклонным потолком или разными по высоте частями помещения требованиям к наименьшей высоте должна отвечать средняя (приведенная) высота помещения. При этом высота помещения в любой его части должна быть не менее 2.5 м. Высота технических этажей в местах прохода обслуживающего персонала до низа выступающих конструкций должна быть не менее 1.8 м. При проектировании технического этажа (технического подполья), предназначенного только для размещения инженерных сетей с трубопроводами и изоляцией трубопроводов из негорючих материалов, высота от пола до потолка может быть не менее 1.6 м.
2. Наружные входы. Отметка пола помещений у входа в здание должна быть выше отметки тротуара не менее чем на 0.15 м. Допускается принимать ее меньше при условии предохранения помещений от попадания осадков. Перед наружной дверью должна быть предусмотрена горизонтальная входная площадка глубиной не менее 1.5 ширины полотна наружной двери. При подъеме на три ступени и более входных крылец необходимо устройство ограждения высотой 0. 8 м.
3. Лифты в общественных зданиях подразделяются на пассажирские, грузовые и больничные. Пассажирские лифты следует предусматривать в зданиях:
НИИ, высших учебных заведений и институтов повышения квалификации при разнице отметок пола входного вестибюля и пола верхнего этажа (кроме технического верхнего) 13.2 м и более
учреждений управления, проектных, кредитно- финансовых учреждений, в зданиях исполкомов Советов народных депутатов и других учреждений, часто посещаемых населением, а также в зданиях больниц и родильных домов, санаториев, турбаз и мотелей разряда- высотой 3 этажа и более;
для амбулаторно-поликлинических учреждений- высотой 2 этажаи более;
для предприятий бытового обслуживания- высотой 4 этажа и более.
Число пассажирских лифтов следует устанавливать расчетом, но, как правило, не менее двух.
Больничные лифты предусматривают для зданий больниц, родильных домов, амбулаторно-поликлинических учреждений, санаториев и санаториев- профилакториев при высоте 2 этажа и более.
Грузовые лифты следует предусматривать в соответствии с технологическими требованиями.
Размеры лифтов приведены в приложении 4.
4. Мероприятия для удобного доступа в здания инвалидов. При проектировании общественных зданий, предназначенных для непосредственного обслуживания населения, следует предусматривать устройства и мероприятия для удобного доступа инвалидов и пользования ими помещениями:
пандусы при входах в здание с максимальным уклоном 1:12;
надлежащие двери и тамбуры;
лифты в зданиях высотой более одного этажа.
11. Объемно-планировочные и композиционные решения гражданских зданий. Конструктивные системы и схемы.
Объёмно-планировочная структура зданий.
Внутренний объём здания состоит из пространственных ячеек (помещений) различного назначения, расположенных в определённом порядке. Каждое такое помещение (жилая комната, кухня, лестничная клетка и т.д.) отличается от другой площадью, формой, а иногда и высотой.
Объёмно-планировочное решение – это система размещения помещений в здании. Пространственные ячейки называют объёмно-планировочными элементами. В жилых зданиях такими элементами будут: комнаты, кухни, лестничные клетки и другие помещения, образованные конструктивными элементами этого здания (стенами, перекрытиями и др.).
Этажи – помещения, расположенные между перекрытиями.
В зависимости от местоположения этажей различают : надземные – при расположении пола выше уровня грунта (тротуара), подвальные – при заглублении пола более чем наполовину высоты помещения ниже уровня грунта; полуподвальные (цокольные) – с заглублением пола (ниже грунта) менее чем на половину высоты помещения; мансардные – с помещениями, расположеными внутри чердака.
Таким образом, объёмно-планировочные элементы разделяют внутреннее пространство зданий на отдельные этажи и помещения.
Объёмно-планировочной структурой здания называется система объединения главных и вспомогательных помещений избранных размеров и формы в единую целостную композицию. По признакам расположения и взаимосвязи помещений различают несколько объёмно-планировочных систем зданий.
Анфиладная система предусматривает непосредственный переход из одного помещения в другое через проемы в их стенах. Эта система позволяет создать здание очень компактной и экономичной структуры в связи с отсутствием или минимальным объёмом коммуникационных помещений. Все основные помещения в здании при анфиладной системе являются проходными, поэтому она применима лишь в зданиях экспозиционного характера – музеях, картинных галереях, выставочных павильонах и др.
Система с горизонтальными коммуникационными помещениями предусматривает связь между основными помещениями через коммуникационные – коридоры или галереи. Это позволяет главные помещения проектировать непроходными. Система планировки с горизонтальными коммуникационными помещениями широко применяется в проектировании гражданских зданий различного назначения – общежитий, гостиниц, школ, больниц, административных зданий и т.п.
Секционная система заключается в компоновке здания из одного или нескольких однохарактерных фрагментов (секций) с повторяющимися поэтажными планами, причем помещения всех этажей каждой секции связаны общими вертикальными коммуникациями – лестницей или лестницей и лифтами. Секционная система – основная в проектировании квартирных жилых домов средней и большой этажности.
Зальная система строится на подчинении относительно небольшого числа подсобных помещений главному зальному, которое определяет функциональное назначение здания в целом. Наиболее распространена зальная система в проектировании зрелищных, спортивных и торговых зданий – спортивный зал, крытый плавательный бассейн, кинотеатр, крытый рынок и др. Зальную систему применяют для зданий с одним или несколькими залами.
Атриумная система – с открытым или крытым двором, вокруг которого размещены основные помещения, связанные с ним непосредственно через открытые (галереи) или закрытые (боковые коридоры) коммуникационные помещения. Помимо традиционного использования в южном жилище она широко применяется в проектировании малоэтажных зданий с крупными залами – крытых рынках, музеях, выставках, а также в зданиях школ, многоэтажных гостиниц и административных зданиях. Преимущества системы при открытых дворах – тесная связь между необходимыми по технологической схеме открытыми и закрытыми пространствами.
Смешанная (комбинированная) система, включающая элементы различных систем, встречается преимущественно в многофункциональных зданиях.
Разработка объёмно-планировочного решения осуществляется на основе схемы функциональных процессов, происходящих в здании, при этом следует предусматривать наиболее удобные связи между помещениями и их минимальный объём.
Конструктивной структурой здания называют совокупность взаимосвязанных конструктивных элементов – фундаментов, стен, перекрытий, крыши и др., выполняющих в здании различные функции.
К конструктивным элементам зданий предъявляются следующие требования: прочность и устойчивость; функциональная целесообразность; долговечность и огнестойкость; архитектурная выразительность; удобство эксплуатации; технологичность; экономическая целесообразность.
13.Архитектурно-конструктивные элементы стен
Элементы и детали стен в зависимости от назначения имеют различные наименования. Нижняя часть стены, расположенная непосредственно на фундаменте и выступающая из ее плоскости, называется цоколем. Он предназначен для защиты стены от увлажнения и от механических воздействий; отделывают его прочными влагоустойчивыми материалами. Верхняя выступающая часть стены называется карнизом (рис. 1).
Горизонтальные выступы в стенах (кроме венчающего карниза) называют поясками, вертикальные — пилястрами, или полуколоннами. Часть стены, расположенную между оконными проемами, называют простенком, а конструкцию, перекрывающую проем сверху, — перемычкой.
Проемы в капитальных стенах перекрывают железобетонными перемычками, а также рядовыми клинчатыми и арочными перемычками, выполняемыми из неармированной каменной кладки. Основным типом перемычек являются сборные железобетонные (ГОСТ 948—76).
К архитектурно-конструктивным элементам зданий, непосредственно связанным со стенами, следует также отнести балконы, эркеры и лоджии. Балконом называют открытую огражденную площадку, выступающую за плоскость наружной стены. Уровень пола балкона соответствует уровню междуэтажного перекрытия. Элементами балкона являются его несущая конструкция, пол и ограждение. Эркер является закрытым балконом, размещенным за внешней поверхностью наружной стены и огражденный стенами. Эркер составляет часть помещения. Лоджией называют встроенную внутри здания и открытую со стороны фасада площадку, огражденную с трех сторон стенами.
Деформационные швы предотвращают появление трещин в стенах зданий, вызываемых температурно-усадочными напряжениями и неравномерной осадкой основания. Температурно-усадочные швы разрезают стены здания до фундамента, а осадочные швы, устраиваемые в тех случаях, когда можно ожидать неравномерную осадку основания, разрезают стены по всей высоте, включая фундамент. При устройстве в стенах здания осадочных швов рекомендуется совмещать с ними и температурно-усадочные швы. Расположение и конструкция деформационных швов должны быть указаны в проекте. Во избежание продувания стен деформационные швы выполняют в виде шпунта (рис. 2) и заполняют их прокладкой из толя или рубероида с утеплителем (минеральной ватой и др.).
Цоколь — нижняя часть наружных стен, облицованная керамической плиткой, природным камнем или оштукатуренная цементным рас-створом.
Если нижняя часть стены выложена из сборных бетонных блоков, а верхняя — из кирпича, то такой цоколь называют подрезным.
Проемы — это отверстия в стенах для окон или дверей.
Боковые и верхнюю плоскости проемов называют откосами.
Простенки — это участки стен, расположенные между проемами.
Различают простенки: рядовые (между двумя проемами) и угловые (в углах стен).
Прямоугольные выступы простенков, удерживающие оконные или дверные блоки, называют четвертями.
Перемычки— это конструкции, перекрывающие проем сверху. Они бывают брусковые, железобетонные или кирпичные.
Карниз — это горизонтальный выступ из плоскости стен.
Различают следующие разновидности карнизов:
– венчающий, завершающий верхнюю часть стены;
– пояски, разделяющие на высоте фасадную плоскость стены;
– сандрики, устраиваемые над отдельными проемами и входом в здание.
Местные утолщения стен:
– пилястры — вертикальные выступы прямоугольного сечения;
– полуколонны — вертикальные выступы полукруглого сечения;
– раскреповки — вертикальные утолщения (до 250 мм) протяженного участка стены.
Парапет— прямоугольное завершение стены, на 0,7… 1 м выступающее над крышей.
Фронтон — треугольная часть стены, ограждающая часть чердака и обрамленная по периметру карнизом.
14. Устройство стен из мелкоштучных материалов.Стены, обогащенные архитектурно-конструктивными элементами, придают зданию архитектурную выразительность.
При кирпичной кладке применяют также простые и сложные растворы: известковые, цементные, цементно-известковые и цементно-глиняные.
Для герметизации и утепления швов между деталями применяют материалы на основе полимеров, просмоленный канат и паклю.
В стенах малоэтажных зданий в сельской местности применяют дерево. Из круглого леса и брусьев собирают стены рубленых домов. Пиленый лес – доски, бруски, вагонка – применяется для устройства каркасно-засыпных и щитовых стен.
Внутренние стены проектируют из условий прочности и звукоизоляции. Эти два требования по своим физическим свойствам совпадают: чем плотнее материал внутренней стены, тем он более прочный и менее звукопроводный. Для устройства внутренних стен также эффективно по требованиям звукоизоляции применять слоистые конструкции с чередованием плотных и рыхлых слоев.
Несущие наружные и внутренние стены должны отвечать изложенным выше требованиям.
Самонесущие по прочности должны быть рассчитаны на прочность и устойчивость от собственного веса.
Навесные легкие стены из эффективных теплоизоляционных материалов предназначены только для разделения или защиты помещений от атмосферных влияний и шума. Облегченные навесные стены, как правило, малотеплопроводны и малотеплоустойчивы. Стены выполняют, выкладывая из мелкоштучных материалов или монтируя из крупных деталей, изготовленных на заводе.
Стены из мелкоштучных материалов. Из этих материалов можно создавать индивидуальные объемно-пространственные композиции, использовать различные архитектурные детали и формы, т.к. здесь нет жесткой “привязки” к унифицированным деталям заводского изготовления. Поэтому современные нетиповые и уникальные здания возводятся из кирпича и мелких блоков чаще всего.
Толщину кирпичных стен определяют расчетом по прочности и теплотехническим характеристикам. Размеры выдерживают кратными габаритам кирпича. Основными типами кирпичных стен являются стены в 2,5, 2, 1,5 и 1 кирпич толщиной соответственно 0,64, 0,51, 0,38 и 0,25 м.
Сплошные кирпичные стены материалоемки. На 1 м3 кладки расходуют 400-410 штук кирпича, требуют больших затрат труда и имеют большую массу.
Поэтому в 30-50 г. ХХ в., когда не хватало строительных материалов, стали применять облегченные конструкции.
Одним из методов облегчения стен является устройство уширенных вертикальных швов. Кладку выполняли на теплом растворе. Разработаны и применяются облегченные стены типа Герарда, Попова-Орлянкина, колодцевая кладка и др. Эти виды конструкций представляют две стенки (версты) – наружную и внутреннюю толщиной в 0,5 кирпича с заполнением средней части толщиной 0,20-0,27 м менее теплопроводным материалом, чем кирпич, например, легким бетоном с заполнителем из шлака, керамзита, перлита и т.д.
Связь стенок в стене типа Герарда осуществляется прокладками из пачечного железа, в стене типа Попова-Орлянкина – одним рядом тычковых кирпичей, выкладываемых через пять рядов ложков по высоте, в колодцевой кладке предусматриваются вертикальные стенки (диафрагмы). Вертикальные стенки располагают с шагом 0,64-0,75 м обязательно под опорами балок перекрытий.
Применяются несимметричные конструкции: стена с одной наружной верстой. Внутренняя часть стены состоит из монолитного слоя шлакобетона.
Облегченные стены имеют сопротивление теплопередаче такое же, как и сплошная стена в 2,5 кирпича, но их масса и толщина меньше. Поэтому они имеют меньшую прочность и их применение ограничено. Так, стены типа Герарда и колодцевая применяются для зданий не выше 2-х этажей, а стена типа Попова-Орлянкина – не выше 6 этажей.
Несмотря на положительные качества облегченных стен по сравнению со сплошными, они редко применяются в связи с тем, что очень трудоемки и требуют высокой квалификации каменщика.
Для облегчения стен и повышения их сопротивления теплопередаче в качестве стенового материала применяют легковесный (пористый) и дырчатый кирпич.
Для повышения производительности труда каменщиков стали применять укрупненные элементы, из которых выкладывают стены. Вместо кирпича используют сплошные мелкие легкобетонные блоки. Такие стены менее трудоемки, чем кирпичные. Объем одного блока примерно в 7 раз больше кирпича, но он и тяжелей кирпича примерно в 6 раз. Но все равно производительность труда каменщика при кладке стен из мелких блоков выше, чем при кладке кирпичных стен.
Мелкие блоки сплошные изготовляют из легких бетонов (шлако-, керамзитобетона) и на местных заполнителях типа щебенки из туфа или ракушечника.
Стены из сплошных шлакобетонных мелких блоков можно применять в зданиях высотой до 5 этажей.