И фундаментов

Работы по устройству оснований и фундаментов входят в состав работ по возведению подземной части зданий, являющейся наиболее ответственной частью сооружения. Главными элементами подземной части являются основания и фундаменты.

Под основаниями понимают напластования грунтов, которые воспринимают нагрузку от здания или сооружения. Различают ос­нования естественные, сложенные природными грунтами, и ис­кусственные, когда природные грунты частично заменены или свойства их улучшены тем или иным способом (уплотнением, зак­реплением и т.п.).

Фундаменты служат для передачи нагрузки от сооружения на ос­нование. Все известные виды фундаментов можно разделить на две

372

большие группы: фундаменты, возводимые в открытых котлованах, и фундаменты, устраиваемые без отрывки котлованов (свайные, ще­левые, буровые, тонкостенные цилиндрические оболочки, опускные колодцы и кессоны).

Прочность и устойчивость построенных зданий и сооружений в значительной мере зависит от качества подготовки оснований. При этом очень важным является уплотнение оснований, выпол­няемое с целью повышения их прочности и снижения осадок зда­ний и сооружений. Различают поверхностное и глубинное уплот­нение оснований.

Поверхностное уплотнение выполняют путем послойного уплотне­ния грунта при устройстве подушек или уплотнением оснований тя­желыми трамбовками.

Глубинное уплотнение производится посредством устройства грун­товых свай, виброуплотнения, предварительного замачивания и за­мачивания с глубинными взрывами.

Уплотнение тяжелыми трамбовками обеспечивается за счет сво­бодного сбрасывания трамбовки массой 5-15 т с высоты 4-8 м. На практике применяют трамбовки диаметром по нижнему основанию 1,2-3 м. Диаметр и массу трамбовок подбирают в зависимости от требуемой глубины уплотнения, формы и размеров уплотняемых оснований. При выборе массы трамбовки следует исходить из того, чтобы статическое давление на грунт составляло не менее 15 кПа. Иногда применяют сверхтяжелые трамбовки, как, например, во Франции трамбовками массой 200 т, по данным фирмы «Луи Ме-нар», уплотняли насыпи и водонасыщенные пески на глубину до 49 м, сбрасывая их с высоты 20 м специальным стреловым краном. В Англии и Швеции применяли трамбовки массой 40—50 т, а в Япо­нии - массой 150 т. В Швеции трамбовками массой 40 т при высо­те их сбрасывания 40 м уплотняли щебеночно-каменную насыпь на глубину до 40 м.

Уплотнение тяжелыми трамбовками используют при уплотнении лёссовых просадочных, рыхлых песчаных и слабых пылевато-глини-стых грунтов. Основания уплотняют с поверхности отрытого котло­вана по всей площади застраиваемого здания или под отдельными фундаментами. Трамбовки изготовляют из железобетона или металла в виде усеченного конуса с низкорасположенным центром тяжести, за счет чего достигается вертикальность падения и устойчивость трам­бовки при ударе по грунту (рис. 12.1, а).

Трамбовку подвешивают к стреле крана на канате через специальную подвеску, препятствующую скручиванию каната (рис. 12.1, б). Высоту

373

Рис. 12.1. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками:

а — конструкция тяжелой трамбовки; б — схема производства работ; 1 — сталь­ной лист толщиной 20 мм; 2 — стальные пластины толщиной 20 мм; 3 — арма­турные стержни; 4 — устройство для присоединения к канату; 5 — пространство, заполняемое бетоном; 6 — кран; 7 — трамбовка; 8 — проектная отметка; 9 — отметка дна котлована перед трамбованием; 10— направление движения кра­на; 11 — уплотненный грунт; 12— полоса, уплотненная с одной стоянки; 13 — стоянки крана через 0,9d (d — диаметр основания трамбовки)

сбрасывания трамбовки принимают исходя из массы трамбовки. Так, при массе 5-7 т высота сбрасывания должна быть не менее 6-8 м, а при массе 10-15 т соответственно 12-15 м.

Глубина уплотнения основания тяжелыми трамбовками достига­ет 2—8 м и зависит от массы трамбовки, высоты сбрасывания, диамет­ра трамбовки, числа ударов и характеристик грунта и приближенно может быть определена по формуле

hs = kd,

где к - коэффициент, принимаемый для супесей и суглинков 1,8, для глин — 1,5; d - диаметр основания трамбовки, м.

Поверхностное уплотнение применяют в пылевато-глинистых грунтах со степенью влажности не менее 0,75 и плотностью сухого грунта не выше 1,55 г/м³.

374

Наибольшая эффективность уплотнения достигается при опти­мальной влажности грунта, определяемой по результатам опытного уплотнения или приблизительно по формуле

w₀ = w_p- (0,01-0,3),

где w — влажность грунта на границе раскатывания.

Если грунт основания, подлежащий уплотнению, имеет влаж­ность менее оптимальной, то его следует доувлажнять.

Необходимое количество воды, м³, на весь объем уплотняемого основания определяют по формуле

Q = [1,2p_d(w₀-w)/p_w]h_sF,

где p_d — плотность сухого грунта до уплотнения, кг/м³; w₀ - опти­мальная влажность грунта; w — природная влажность грунта; p_w-плотность воды, кг/м³; h_s - глубина уплотнения грунта, м; F - уплот­няемая площадь, м².

Поскольку в результате уплотнения основания отметка дна кот­лована понижается, то его следует отрывать с недобором, величину которого можно определить по формуле

где p_ds — среднее значение плотности сухого грунта в процентах уп­лотненного слоя, г/м³; p_d - среднее значение плотности сухого грунта до уплотнения, г/м³.

Для уплотнения основания тяжелыми трамбовками массой 2-7 т используют краны-экскаваторы типа Э-10011 и Э-1252, а для трам­бовок массой 10—25 т краны-экскаваторы типа Э-2503 и Э-2505.

Трамбование сопровождается понижением поверхности, величина которого по мере увеличения числа ударов уменьшается и после не­которого числа ударов становится постоянной. Получаемая в этом случае предельная величина понижения от одного удара называется отказом при уплотнении трамбованием.

Уплотнение производят таким числом ударов, при котором на­блюдается отказ. Величину отказа устанавливают опытным путем. Ориентировочно величину отказа принимают равной: для пылевато-глинистых грунтов 1-2 см, для песчаных 0,5-1 см. Число ударов для уплотнения до отказа зависит от начального значения плотности грунта и колеблется от 5 до 16 ударов.

Величина отказа зависит от параметров трамбовки и высоты ее сбра­сывания. Уплотнение грунта трамбовками массой 5-7 т в пределах

375

отдельных участков следует производить циклами с последователь­ным переходом от следа к следу. В каждом цикле по каждому следу производят 2—3 удара. В каждом последующем цикле трамбование ведут со смещением следов трамбования предыдущего цикла на по­ловину диаметра трамбовки.

Уплотнение трамбовками массой 10-15 т ведут со смещением сле­дов на расстояние, равное одному диаметру трамбовки. При этом по одному следу дается заданное число ударов по уплотнению до отказа.

В зимнее время уплотнение основания тяжелыми трамбовками следует производить при талом состоянии грунта и соответственной влажности, мерзлые грунты уплотнять нецелесообразно.

Глубинное уплотнение грунтовыми сваями применяют для уплотне­ния оснований из насыпных и просадочных грунтов. При этом уп­лотнение достигается за счет вытеснения грунта в стороны при про-давливании или пробивке скважины, а также расширении скважины-шпуров энергией взрыва. Готовые скважины заполняют грунтом с послойным уплотнением, что позволяет создать уплотненный слой толщины от 5 до 25 м.

Для достижения проектной плотности грунта p_ds грунтовые сваи размещают в шахматном порядке по вершинам равностороннего тре­угольника на расстоянии /, обеспечивающим смыкание зон и обра­зование уплотненного массива грунта.

Р асстояние между центрами грунтовых свай определяют по фор­муле

где d - диаметр скважины, м; p_ds - средняя плотность сухого грун­та в уплотненном массиве, принимается 1,65 - 1,75 г/м³ в зависимо­сти от особенности уплотняемых оснований и назначения грунтовых свай; p_d - плотность сухого грунта природного сложения, г/м³.

Глубинное уплотнение станками ударно-канатного бурения допуска­ется при природной влажности, а с использованием взрыва — толь­ко при оптимальной влажности.

При этом вначале буровыми станками бурят скважины диаметром 0,5 м, а затем в них засыпают грунт, в качестве которого используют супеси и суглинки, имеющие оптимальную влажность. Каждую пор­цию грунта в скважине трамбуют, при этом масса ударной части дол­жна быть не менее 2 т.

Массу материала засыпки оптимальной влажности для набивки 1 м длины грунтовой сваи определяют по формуле

376

где к — коэффициент, учитывающий увеличение диаметра грунто­вой сваи при уплотнении материала засыпки. Для супесей к = 1,4, а для суглинков и глины k_g = 1,1; A_h — площадь поперечного сечения грунтовой сваи, м²; p_ds - плотность сухого уплотненного грунта в теле грунтовой сваи, равная 1,75 г/м³; w_s - влажность грунта, засы­паемого в скважину.

При промерзании верхнего слоя основания более 0,2 м мерзлый грунт необходимо проходить шнековыми бурами или производить электропрогрев грунта. Засыпаемый в скважины грунт не должен содержать мерзлых включений грунта.

Для глубинного уплотнения оснований может быть использо­ван метод винтового продавливания скважин, в основу которого положен способ образования скважин в грунте спиралевидными снарядами. При проходке скважин грунт не извлекают, а скважи­ну расширяют до проектного диаметра путем непрерывного уп­лотнения грунта с помощью радиально направленных сил, созда­ваемых снарядом, который погружают в грунт вращением и осе­вым давлением.

При использовании этого метода вначале спиралевидным снаря­дом проходят скважину, которую заполняют грунтом с его уплотне­нием, причем дважды (рис. 12.2).

Расстояние между скважинами определяют исходя из условий обеспечения совместной работы в массиве основания, а также необ­ходимой его несущей способности. Расстояние между центрами сква­жин определяют по формуле

где d — диаметр скважины, м; р^ - средняя плотность сухого грун­та в уплотненном массиве, г/м³; p_d - плотность сухого грунта при­родного сложения, г/м³.

Описанная технология винтового продавливания скважин наибо­лее эффективна в макропористых грунтах, в том числе пылевато-гли-нистых с показателями текучести J_L>0,1. В качестве базовой маши­ны для погружения спиралевидного снаряда можно использовать бу­ровые установки СО-2, МБС-1,7, БУК-600 и др., оснащенные шнековыми или другими бурами (см. рис. 12.2).

При использовании такой технологии повышается устойчивость стенок скважин, что позволяет в некоторых случаях сократить

377

Рис. 12.2. Технология глубинного уплотнения основания грунтовыми сваями с использованием винтового продавливания скважин:

I — продавливание скважин спиралевидным снарядом; II — заполнение скважи­ны грунтом; III — уплотнение грунта; IV — готовая грунтовая свая с одноразовой проходкой скважины; V — вторая проходка скважины спиралевидным снарядом по скважине, заполненной грунтом без уплотнения; VI — скважины с укорочен­ными стенками двухразовой проходкой; VII — готовая грунтовая свая с двухра­зовой проходкой скважины; 1 — спиралевидный снаряд; 2 — скважина; 3 — уп­лотненная зона грунта при одноразовой проходке скважины; 4 — кран; 5 — бу­ровая установка БУК-600; 6 — бункер для грунта; 7 — уплотненный грунт; 8 — станок БС-1М; 9 —- наконечник для уплотнения грунта; 10 — неуплотненный грунт; 11 — уплотненная зона грунта при двухразовой проходке скважины

затраты труда и материалов на выполнение работ по глубинному укреплению.

Глубинное виброуплотнение естественных песчаных оснований ос­новано на способности таких грунтов переходить в плотное состоя­ние под воздействием сил вибрации. Насыщенный водой песчаный грунт при воздействии на него колебательных движений вибратора становится подвижным, зерна его под влиянием силы тяжести пере­мещаются вниз, и грунт уплотняется.

Глубинное уплотнение таких песчаных грунтов в основаниях осу­ществляют виброустановкой ВУУП-6 с уплотнителем специальной конструкции.

378

Полный цикл уплотнения песчаных оснований на глубину 6 м в одной точке должен продолжаться не менее 15 мин и состоять из 4-5 чередующихся погружений и подъемов уплотнителя. После полно­го цикла уплотнения грунта основания в четырех точках установка отключается. Иногда для лучшего уплотнения песчаного основания применяют его искусственное водонасыщение. Виброуплотнение может быть также использовано для уплотнения насыпных и намыв­ных песчаных оснований.

Глубинное уплотнение оснований предварительным замачиванием, а также замачиванием с глубинными взрывами применяют с целью по­вышения прочности и несущей способности, устранения просадоч-ных свойств, снижения их деформативности и коэффициента филь­трации. Эти способы уплотнения основываются на способности не­которых видов грунтов самоуплотняться при замачивании под действием собственного веса. К таким грунтам относятся лёссовид­ные суглинки и супеси, пылеватые пески с высоким коэффициентом фильтрации (K_f ^0,2 м/сут).

Процесс уплотнения оснований при предварительном замачивании (рис. 12.3, а) длится медленно, в течение 2-3 мес, но эти сроки можно сократить до 3-7 дней, если одновременно с замачиванием использо­вать глубинные взрывы (рис. 12.3, б). При взрывах создается серия удар­ных волн, которые подвергают грунт многократному динамическому воздействию и в результате глубина уплотнения грунта достигает 30 м.

Для уплотнения грунтов предварительным замачиванием котло­ваны заполняют водой глубиной 0,3-0,8 м с поддержанием уровня до промачивания всей толщи просадочных грунтов.

В ремя, необходимое для замачивания всей толщи просадочного грунта, определяют по формуле

где y_w - коэффициент, принимаемый равным при замачивании с по­верхности дна котлована при наличии дренирующего слоя 1,2, а при замачивании через скважины 0,8; H_s/ - толщина просадочной толщи, м; K_f — минимальная величина коэффициента фильтрации слоев грунта, входящих в просадочную толщу, м/сут.

Минимально допустимую глубину размещения заряда ВВ по ус­ловию образования камуфлетного взрыва рассчитывают по формуле

379

Рис. 12.3. Уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием (а) и замачиванием с глубинными взрывами (б):

1 — дренажные скважины; 2 — контур возводимого здания; 3 — дренирующий слой из крупнозернистого грунта; 4 — зона замоченного грунта; 5 — лёссовый просадочный грунт; б — непросадочный грунт; 7 — контурная траншея; 8 — дре-нажно-взрывная скважина; 9 — глубинный взрыв; 10 — замоченный грунт, уплот­ненный взрывами

где Kgg - коэффициент, зависящий от типа ВВ, принимается для тро­тила и аммонита равным 0,85 и для аммонала - 0,58; К_ф — коэффи­циент, зависящий от вида грунта, принимаемый для глин и суглин­ков 0,24-0,3 и для супесей 0,29-0,4.

380

При уплотнении грунтов оснований замачиванием и глубинны­ми взрывами следует применять водостойкие ВВ, в том числе аммо­нит № 6 ЖВ, граммонол, зерногранулит 50/50-В, 30/70-В.

Поскольку уплотнение грунтов после замачивания, в том числе и с использованием глубинных взрывов, происходит в основном под воздействием их собственного веса, то для большего эффекта целе­сообразно верхний слой доуплотнять тяжелыми трамбовками, укат­кой или грунтовыми сваями.

Устройство грунтовых подушек в котлованах в ряде случаев необ­ходимо для распределения давлений от фундамента на большую пло­щадь слабого грунта основания или же для полной замены этого сла­бого грунта, особенно при небольшой его мощности. Обычно грун­товые подушки устраивают толщиной 1,5—5 м, но бывают случаи утолщения их до 10-12 м.

Перед устройством подушки дно котлована и верхний слой кот­лована планируют и уплотняют до проектной плотности. Грунт при устройстве подушек отсыпают обязательно слоями с их уплотнени­ем. Толщину слоев принимают в зависимости от вида применяемо­го уплотняющего оборудования, которое, в свою очередь, выбирают исходя из объемов и сроков выполнения работ и вида применяемых для устройства подушки грунтов.

При больших объемах работ целесообразно применять трамбую­щие машины Д-1471 или тяжелые катки на пневмоколесном ходу. При небольших размерах подушек применяют самоходные катки, тракторы и тяжелые трамбовки.

Технологическую схему и порядок производства работ по устрой­ству подушки выбирают в зависимости от конструктивной формы зда­ния в плане и типа грунтоуплотняющего механизма. Пример устрой­ства грунтовой подушки в прямоугольном котловане с уплотнением ее слоев катками показан на рис. 12.4. Грунт в котловане уплотняют по­лосами поперек его на всю ширину. Эти полосы должны перекрывать одна другую на 0,2-0,5 м. Грунт в подушках можно уплотнять также транспортными средствами, доставляющими его, причем для более равномерного уплотнения необходимо соответствующим образом организовать движение транспортных средств.

При использовании для уплотнения грунтов подушек тяжелых трамбовок работы производят следующим образом. Вначале, после отрывки котлована трамбовками уплотняют его дно, причем до от­каза. Затем отсыпают такой слой грунта, который может быть уплот­нен имеющейся тяжелой трамбовкой, а затем отсыпают такие же слои и уплотняют трамбовкой.

381

Рис. 12.4. Схема устройства грунтовой подушки при уплотнении ее слоев

катками:

1 — уплотняемая полоса; 2 — каток; 3 — направление уплотнения; 4 — перекры­тие катком смежной уплотненной полосы; 5 — уплотняемые слои; 6 — уплотнен­ный грунт

Наряду с рассмотренными видами работ, при устройстве основа­ний под фундаменты на слабых грунтах для повышения прочности оснований и снижения деформации выполняют также работы по зак­реплению грунтов различными способами, рассмотренными в гл. 11 данного учебника.

Фундаменты зданий, устраиваемые из монолитных или сборных железобетонных элементов в открытых котлованах, обычно не вызы­вают особых трудностей, но представляет интерес технологический процесс возведения фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Принцип этого метода состоит в том, что котлованы под фундамен­ты не разрабатывают, а вытрамбовывают на необходимую глубину трамбовкой с последующим заполнением образованного пространства или установкой в него сборного железобетонного фундамента. Этот метод работ довольно эффективен и имеет много преимуществ.

Вытрамбование котлованов осуществляют путем многократного сбрасывания с высоты 3-8 м трамбовки, имеющей форму будущего

382

фундамента. Для вытрамбования используют краны-экскаваторы, тракторы со специальным навесным оборудованием, включающим направляющую штангу, каретку и трамбовку (рис. 12.5). Грузоподъ­емность базовой машины должна быть в 2,5—4 раза больше массы трамбовки.

В зависимости от способа повышения несущей способности по грунту основания фундаменты в вытрамбованных котлованах могут быть различных видов, в том числе без уширенного основания с плос­кой или заостренной подошвой без дополнительного вытрамбования

Рис. 12.5. Оборудование для вытрамбования котлованов:

а — на экскаваторе со стрелой драглайна; б — на экскаваторе с прямой лопа­той; в — на базе трактора; г — на базе сваебойного агрегата; 1 — стрела; 2 — направляющая стойка (штанга); 3 — каретка; 4 — трамбовка; 5 — упорная пли­та; б — зубья; 7 — серьга; 8 — оголовок; 9 — распорка; 10 — противовес; 11 —

подвеска; 12 — молот; 13 — штанга

383

в дно котлована жесткого материала (рис. 12.6, а); с уширенным ос­нованием, получаемым втрамбованием в грунт жесткого материала (щебня, песка, гравия, песчано-гравийной смеси, шлака и т.п.) (рис. 12.6, б); в виде отдельно-стоящих, ленточных и ленточных прерывистых (рис. 12.6, в, г). Соответственно для устройства фун­даментов разных видов используются трамбовки различной формы (см. рис. 12.7).

Уплотнение грунта происходит вследствие остаточных деформа­ций сжатия грунта в момент удара трамбовки.

Массу трамбовки для обеспечения эффективного вытрамбования котлована назначают с учетом того, что удельное статическое давле-

Рис. 12»6. Виды фундаментов в вытрамбованных котлованах:

а — без уширения основания; б — с уширением основания; в — ленточный; г — прерывистый; 1 — фундамент; 2 — уплотнительная зона; 3 — втрамбованный

жесткий материал

384

а

б

в

а — с плоской подошвой; б — с заостренной подошвой; в — удлиненная для вытрамбования полостей при устройстве фундаментов в виде коротких свай

ние по основанию трамбовки должно быть не менее 0,03 МПа - для фундаментов неглубокого заложения и 0,05 МПа - для фундаментов с уширенным основанием.

Высоту сбрасывания трамбовок в зависимости от типа применя­емого оборудования и вида грунта принимают равной 3-8 м.

Необходимое число ударов трамбовки для вытрамбования котло­вана на требуемую глубину d_p приближенно определяют по формуле

где Л* - коэффициент, учитывающий влажность грунта и принима­емый равным: в грунтах с оптимальной влажностью Лу*= 1, при по­ниженной влажности tjw- 0,7; при повышенной влажности Ц^- 1,2; S_jm - среднее понижение дна котлована за один удар трамбовки, при­нимаемое равным для трамбовок с плоским основанием при его пло­щади А < 1 м² - 10 см, при А=1-2м²-8сми при А > 2 м² - 6 см; для удлиненных трамбовок с заостренным концом S._m =1,5 см. При использовании для втрамбования жесткого материала число ударов трамбовки, определенное по вышеприведенной формуле, уменьша­ют в 1,5 раза.

Очередность вытрамбования котлованов и схему движения меха­низма с трамбовкой назначают таким образом, чтобы обеспечивалось бетонирование фундаментов не позднее чем через 1—2 сут. после окончания вытрамбования.

385

При расстояниях между фундаментами менее 0,8b (Ь — средняя ширина фундамента) котлованы вытрамбовывают через один. Про­пущенные котлованы вытрамбовывают не ранее 3 сут. после бетони­рования ранее вытрамбованных котлованов.

Втрамбование жесткого материала для создания уширенного ос­нования производят сразу же после вытрамбования котлована на про­ектную глубину. Объем порции жесткого материала принимают с та­ким расчетом, чтобы высота засыпки составляла 0,6—1,2 м.

При устройстве сборных железобетонных фундаментов котлован вытрамбовывают на 2—3 см меньше размера блока по горизонталь­ным сечениям и на 0,1 размера по высоте, а затем в котлованах ус­танавливают и забивают сборный блок до проектной отметки.