Правила приёмки, методы контроля и испытаний оснований и фундаментов

Правила приёмки, методы контроля и испытаний оснований и фундаментов

Введение

Подземная часть несущих конструкций, входящих в процессе строительства в «нулевой цикл», состоит из фундаментов, стен и перекрытия подполья или подвалов. Здания и сооружения передают нагрузки на основания, которые состоят из грунтов.

Грунты - это горные породы, почвы, техногенные образования, которые залегают в верхней части земной коры, являются объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека и могут быть использованы в качестве оснований зданий и сооружений.

Наиболее часто в качестве оснований используются несцементированные, сыпучие и глинистые грунты, реже, т.к. реже выходят на поверхность, скальные грунты. Классификация грунтов в строительстве принимается в соответствии с ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».

Знание строительной классификации грунтов требуется для оценки их свойств как оснований под фундаменты зданий и сооружений. Грунты делятся на классы по общему характеру структурных связей. Различают: класс природных скальных грунтов, класс природных дисперсных грунтов, класс природных мерзлых грунтов, класс техногенных грунтов.

Из вышеперечисленных грунтов состоят основания. Основанием называют часть массива грунтов, непосредственно воспринимающую нагрузки от фундамента. Различают естественные и искусственные основания. Естественные основания состоят из грунтов природного сложения, а искусственные основания - из уплотненных, закрепленных или замененных грунтов. В случае если основания состоят из одного слоя грунта (пласта), они называются однородными, из нескольких пластов - неоднородными. Пласт грунта, непосредственно воспринимающий нагрузки от фундамента, называется несущим, а нижележащие пласты - подстилающими.

Расчет оснований ведется по двум группам предельных состояний, при этом учитывается совместная работа оснований, фундаментов и надземных конструкций.

Фундаментом называют подземную часть здания или сооружения, которая предназначена для передачи нагрузок на основание. Нагрузка, приходящаяся на верхний обрез фундамента, распределяется по подошве фундамента и вызывает давление в основании.

Для расчета фундаментов и оснований необходимо знать свойства грунтов, которые разделяются на физические и механические.

Перед началом проведения земляных работ необходимо получить письменное разрешение, схемы расположения и глубины заложения коммуникаций от организаций, ответственных за эксплуатацию сетей. Если в процессе производства земляных работ обнаружены не указанные в проекте коммуникации, подземные сооружения или взрывоопасные материалы, земляные работы должны быть приостановлены до получения разрешения соответствующих органов, п.5.1.6 Постановления Госстроя «О принятии строительных норм и правил РФ «Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство».

Котлованы и траншеи, разрабатываемые на улицах, проездах, во дворах населенных пунктов, где происходит движение людей или транспорта, ограждаются защитными ограждениями. На ограждении устанавливаются предупредительные надписи и знаки, а в ночное время - освещение. Места перехода людей через траншеи оборудуются переходными мостиками, освещаемыми в ночное время.

Естественные основания

Грунты являются трехкомпонентной системой, т.е. состоят из твердых частиц и пор, которые заполнены водой и газами. Ряд характеристик грунтов определяются в лабораторных условиях - это объём грунта, объём твердых частиц, пор, воды, масса грунта, масса пор, воды, твёрдых частиц. Определив эти характеристики, можно найти основные характеристики грунта: плотность грунта, плотность твердых частиц, удельный вес твердых частиц.

При проектировании фундаментов и оснований необходимы ряд физических характеристик грунта, которые определяются расчетом.

По коэффициенту пористости грунта е определяется плотность сложения грунтов.

Дисперсные грунты разделяются на связные и несвязные. Связные грунты обладают свойством пластичности. Число пластичности характеризует способность грунтов удерживать воду в промежутке от полутвердого состояния до текучего. Чем больше в грунте глинистых частиц, тем больше число пластичности. Показатель текучести показывает состояние пластичного грунта при природной влажности (находится грунт в текучем, твердом или полутвердом состоянии).

Несвязные грунты не обладают пластичностью и подразделяются на типы в зависимости от их гранулометрического состава. Гранулометрический состав определяется при помощи стандартных сит, через которые просеивается грунт, взвешивается остаток на каждом сите и определяется процентное содержание групп частиц грунта различной крупности к общей массе, которая принимается за 100%.

Механические характеристики грунтов определяют их работу под нагрузкой - деформационные свойства, от которых зависит осадка фундаментов, поведение грунтов в откосах. Одной из основных характеристик сжимаемости грунтов является модуль общей деформации, который определяется лабораторными или натурными испытаниями грунтов под нагрузкой. Без знания модулей деформации грунтов невозможно рассчитать осадку фундамента, которая определяет работу фундамента. Модуль общей деформации в лабораторных условиях устанавливается испытанием образца грунта в компрессионных приборах трехосного сжатия стабилометрах. При исследовании грунта в компрессионном приборе исследуемый грунт помещается в кольцо и к нему через поршень прикладывается последовательно увеличивающаяся нагрузка. Поршень и дно выполняются пористыми, чтобы вода могла выходить и попадать в грунт. Если грунт в естественных условиях находился ниже уровня грунтовых вод, в ванну наливают воду. По индикатору выполняют замеры осадка грунта при различных давлениях. По результатам испытаний строится диаграмма (компрессионная кривая). По компрессионной кривой определяют коэффициент сжимаемости, затем вычисляют модуль общей деформации.

Грунт при давлении на него фундамента выдавливается из-под фундамента, и характеристики его работы на сдвиг (удельное сцепление и угол внутреннего трения) необходимы для определения несущей способности грунта. На их величину влияют размеры частиц, коэффициент пористости и влажность грунта. Нормативные значения удельного сцепления, кПа, угла внутреннего трения, град., приводятся в Приложении 1, СНиП 2.02.01.-83*.

Для определения площади подошвы фундамента необходимо знать расчетное сопротивление грунта. В свою очередь, расчетное сопротивление грунта зависит не только от свойств грунта, но и от ширины фундамента, т.е. надо знать хотя бы приближенно размеры фундамента.

Для нахождения предварительных размеров фундамента используют расчетные сопротивления грунтов, которые приводятся в табл.1-6 Приложения 3 СНиП 2.02.01-83*.

Определив предварительный размер ширины фундамента, глубину заложения фундамента и механические характеристики грунтов (удельное сцепление и угол внутреннего трения), устанавливается точное значение расчетного сопротивления грунта.

Расчет осадок оснований.

Расчетная величина осадки фундамента ограничивается максимальной осадкой. Значение максимальной осадки фундаментов приведены в Приложении 4 СНиП 2.02.01-83*.

Для определения осадки пользуются различными способами; наиболее распространенным является метод послойного суммирования, сущность которого состоит в разделении всей толщи основания на слои и определении осадок в каждом элементарном слое с последующим их суммированием. Для нахождения осадок необходимо знать напряжения в грунте, возникающие от собственного веса грунта, характер распределения напряжений по подошве фундамента и их изменение в массиве основания.

Верхние слои грунта оказывают давление на нижние. Если имеется несколько слоёв, напряжения от каждого слоя грунта суммируются. В случае если часть грунта находится на водоупоре, то ниже уровня грунтовых вод удельный вес грунта принимается с учетом взвешивающего действия воды, а напряжение на верхней границе водоупора увеличивается на величину давления воды.

Давления, возникающие под подошвой фундамента от нагрузок, приходящихся на фундамент, распределяются по криволинейному закону, но, обычно, для упрощения расчетов условно принимаются равномерно распределенными и для их нахождения пользуются формулами сопротивления материалов для центрального и внецентренного сжатия сплошного упругого бруса. Подошва центрально-сжатых фундаментов обычно принимается квадратной, а внецентренно сжатых может вытягиваться в направлении действия изгибающего момента. При больших эксцентриситетах приложения нагрузки часть площади фундамента может не работать. Применение таких фундаментов нежелательно.

Расчет скальных оснований.

Прочность скальных грунтов определяется испытаниями на сжатие в прессе вырезанных из скалы кубов. В результате испытаний определяется расчетный предел прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии. Скальные грунты подразделяются на скальные и полускальные. Полускальные менее прочны, чем скальные, более пористы и влагоёмки. Скальные и полускальные грунты отличаются практической несжимаемостью при давлениях, возникающих под фундаментами зданий и сооружений, и часто являются хорошими основаниями.

Грунтовая вода снижает прочность полускальных грунтов, используемых в качестве оснований. Учитывается также степень выветрелости скальных грунтов. Расчет оснований на скальных грунтах производят по первой группе предельных состояний - по прочности.

Искусственные основания

В случае, когда существующее естественное основание недостаточно прочно или возможно его движение под нагрузкой, свойства основания можно улучшить, произведя уплотнение, укрепление или замену грунта. Созданное таким способом основание называется искусственным. Искусственные основания должны обладать необходимой прочностью, устойчивостью в течение всего срока службы возводимых на них зданий и сооружений.

Слабые грунты, расположенные вблизи поверхности, возможно удалить и заменить на другие, обладающие нужными строительными свойствами. Обычно, вынутые грунты заменяют песком, гравием, щебнем, образую песчаные (гравийные) подушки. Гравийные подушки обладают большей жесткостью, нежели песчаные. Песчаные подушки не применяют, если есть вероятность вымывания песка грунтовыми водами. Подушка должна иметь достаточную ширину, иначе слабый грунт, находящийся по сторонам подушки, будет уплотняться, и подушка будет выдавливаться в стороны.

Для устранения просадочных свойств макропористых лессовидных грунтов при устройстве песчаных подушек и для уменьшения сжимаемости грунтов производят поверхностное уплотнение грунта. Уплотнение выполняют тяжелыми катками, виброкатками и трамбовками. В случае если поверхностного уплотнения недостаточно, применяется глубинное уплотнение. Оно осуществляется на всю глубину активной зоны, влияющей на осадку фундамента. Чаще всего производится уплотнение водонасыщенных песчаных грунтов и просадочных грунтов.

При всех типах уплотнения грунта ведётся контроль за его уплотнением в соответствии с проектом производства работ.

Закрепление грунтов.

При закреплении грунтов твердые частицы грунта связываются между собой при помощи химических растворов. Наряду с увеличением прочности и устойчивости грунтов химическое закрепление уменьшает их водопроницаемость и чувствительность к изменению влажности. С помощью химического закрепления возможно выполнять усиление существующих фундаментов, укреплять просадочные грунты, создавать водонепроницаемые завесы.

По окончании работ по закреплению грунтов проводится контроль качества закрепленного грунта (через отбор образцов с последующим испытанием в лаборатории, прощупыванием, забивкой инъекторов, нагнетанием воды, наблюдением за режимом грунтовых вод).

Независимо от примененных методов улучшения оснований основные положения по их расчету аналогичны расчетам естественных оснований.

Согласно п. 6.1.1 Постановления Госстроя «О принятии строительных норм и правил РФ «Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство» организация работ по устройству искусственных оснований и выполнению буровых работ предусматривает мероприятия по предупреждению воздействия на работников опасных и вредных производственных факторов, таких как:

обрушающиеся горные породы (грунты);

движущиеся машины и их рабочие органы, а также передвигаемые ими конструкции и предметы;

расположение рабочих мест вблизи перепада на высоте 1,3 м и более;

опрокидывание машин, падение свай и их частей;

повышенное напряжение в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

В этих случаях безопасность работ должна быть

Обеспечена на основе решений по охране труда, содержащихся прежде всего в ПОС и ППР. В целях безопасности организационно-техническая документация должна предусматривать последовательность работ, схемы монтажа и демонтажа оборудования и его перемещения на строительной площадке, способы и средства механизации для проведения работ, номенклатуру и количество средств индивидуальной и коллективной защиты, оборудования.

Фундаменты

Различают фундаменты неглубокого заложения, свайные фундаменты и фундаменты глубокого заложения (опускные колодцы, кессоны). По форме конструкции фундаменты подразделяются на ленточные, столбчатые, плитные и свайные; по способу возведения - на сборные и монолитные; по глубине заложения - на обычные (до 3 м от поверхности земли) и глубокие (более 3 м). Минимальная глубина заложения фундаментов - на 0,2 м ниже уровня промерзания грунта.

При переходе к повышенным отметкам заложения внутренних фундаментов высота уступов - до 0,5 м; отношение к заложению 1:2 в связных и 1:3 - в сыпучих грунтах.

Глубина заложения фундамента обычно назначается с учетом:

-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства;

- климатических особенностей района строительства;

- конструктивных особенностей зданий и сооружений.

При назначении глубины заложения фундамента должны также учитываться особенности приложения и величины нагрузок, технология производства работ при возведении фундаментов, материалы фундаментов и др. факторы. Назначая глубину заложения фундамента, необходимо учитывать положение уровня грунтовых вод, его сезонные колебания, направление движения грунтовых вод, степень их агрессивности по отношению к основаниям и фундаментам.

Плиты и блоки.

Фундаменты ленточные блочные.

В гражданском строительстве наибольшее распространение получили ленточные фундаменты, собираемые из плит и блоков и служащие основанием для несущих стен. Плиты образуют нижнюю, уширенную, часть ленточного фундамента. Они армируются расположенными у подошвы сетками из стержней периодического профиля с защитным слоем бетона в 30 мм снизу и 50 мм по периметру и формуются из бетона марок 150 и 200.

Сетки с шагом рабочей арматуры 100, 150 мм (диам. 6-9 мм) и монтажной арматуры 150, 250 мм (диам. 4-5 мм) изготовляются с применением контактной точечной электросварки. Строповочные петли из стержней заводят под рабочие стержни сеток и привязывают к ним. При необходимости применяют плиты с усиленным армированием.

Блоки стен фундамента формируются из бетона марки 100 - обычные и 200 - усиленные. Торцы блоков имеют вертикальную борозду для растворной шпонки. При уровне грунтовых вод ниже подошвы фундамента могут применяться блоки с пустотами.

Отверстия в стенах длиной 0,4; 0,8 м и высотой 0,25 м образуются Г-образными блоками в соответствии с ГОСТ 13579-78. Плиты и блоки, предназначенные для фундаментов, находящихся под воздействием агрессивных грунтовых вод, изготовляют с добавками, увеличивающими стойкость бетона. Кроме того, предусматриваются необходимые изоляционные мероприятия.

Фундаменты ленточные монолитные и панельные

В монолитных фундаментах бетонную смесь укладывают слоями толщиной 0,2 м с послойным вибрированием. В панельных фундаментах уширенная часть выкладывается из типовых плит. На плиты по слою цементно-песчаного раствора от 20 до 50 мм устанавливаются стеновые панели подвала, сочленяемые между собой в основном аналогично панелям вышележащих этажей или сообразно их конструкции. При устройстве прерывистой подошвы величина разрывов между фундаментными плитами проверяется расчетом.

Расчет прочности ленточных фундаментов заключается в определении арматуры в подушке фундамента и проверке достаточности высоты подушки на действие поперечной силы. В случае если в ленточном фундаменте не требуется установки подушки, то расчет прочности по материалу не проводится, а просто назначается класс прочности бетона фундамента.

Фундаменты столбчатые железобетонные.

Плитные фундаменты зданий повышенной этажности.

Железобетонные плитные фундаменты целесообразно устраивать при возведении многоэтажных зданий с несущими стенами или неоднородных грунтах. Плита фундамента высотой около 1 м в плане охватывает габарит здания. Она армируется в верхней и нижней частях перекрёстными сетками из стержней периодического профиля. Сетки нижнего армирования укладываются на бетонные подкладки высотой 35 мм, фиксирующие защитный слой. Сетки верхнего армирования укладываются на стальные каркасы, установленные непосредственно на бетонную подготовку. Поверхность плиты образует основание пола подвала.

Свайные фундаменты.

Сваи представляют собой стержни, погруженные в грунт или изготовленные в грунте и передающие нагрузки от сооружения грунту.

Верхние части свай объединяются плитой или балкой, которые называются ростверком. Ростверк передаёт нагрузки от сооружения на сваи и обеспечивает их совместную работу. Сваи с ростверком составляют свайный фундамент. В ряде случаев применяют безростверковые фундаменты, к ним относят сваи-колонны и одиночные сваи, на которые надевают специальные оголовки. Свайные фундаменты проектируют на основе инженерно-геологических и гидрологических условий строительной площадки в соответствии с указаниями СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

Выполнение свайных фундаментов не требует устройства больших котлованов и траншей. Сваи позволяют передавать нагрузки на плотные грунты, лежащие глубоко от поверхности, обладающие большей несущей способностью, чем грунты, лежащие вблизи от поверхности земли. При соответствующих способах погружения свай они дополнительно могут уплотнять слабые грунты.

По материалу сваи могут изготавливаться железобетонными, бетонными, стальными, деревянными. По способу изготовления и заглубления в грунт различают следующие виды свай: сборные и монолитные, забивные, вдавливаемые, завинчиваемые, буроопускные, буронабивные, в том числе с уплотненным забоем, набивные в пробивных скважинах, виброштампованные.

По характеру работы сваи различают на сваи-стойки и висячие сваи. Сваи-стойки опираются на скальные или практически несжимаемые грунты. Под действием вдавливающей силы такие сваи практически не получают осадки, и, соответственно, между сваей и грунтом не возникают силы трения. Вся нагрузка, приложенная на сваю стойку, передаётся по стволу сваи на грунт через остриё сваи.

Висячие сваи опираются на сжимаемые грунты. Под нагрузкой они получают осадку; соответственно, между поверхностью сваи и грунтом возникают силы трения, а также грунт оказывает сопротивление острию сваи.

Проектируя свайный фундамент, учитывают, что нижние концы забивных свай, как правило, должны заглубляться в прочные грунты, прорезая слабые напластования. Сваи, опирающиеся на крупнообломочные, гравелистые и средней крупности песчаные грунты, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести менее 0,1, заглубляются в них не менее 0,5 м, а в прочие грунты, принятые за основания сваи, должны заглубляться не менее чем на 1,0 м.

Расчёт свайных фундаментов и их оснований проводится по двум группам предельных состояний.

К расчетам свайных фундаментов по предельным состояниям первой группы относят:

а) расчеты по прочности материала свай и ростверка (сами сваи должны выдерживать приложенную на них нагрузку, а ростверк, работающий как балка или плита, должен быть соответственно рассчитан);

б) расчеты несущей способности грунта оснований сваи;

в) расчеты несущей способности основания свайных фундаментов, если есть вероятность нарушения целостности основания (например, при расположении свайного фундамента на откосе возможен сдвиг откоса вместе с фундаментом).

К расчетам свайных фундаментов по предельным состояниям второй группы относят:

а) расчеты осадок свай и свайных фундаментов от вертикальных нагрузок и перемещений свай от действия горизонтальных нагрузок;

б) расчеты по образованию и раскрытию трещин в конструкциях свайных фундаментов.

Сваи могут рассчитываться по таблицам и формулам или по данным полевых исследований: по результатам статического зондирования; по результатам испытаний свай статическими и динамическими нагрузками. Чем полнее данные о работе грунтов, тем надёжней и экономичней получается запроектированный фундамент.

Современные свайные фундаменты выполняются в большинстве случаев на забивных железобетонных сваях. Расчеты несущей способности грунта основания забивных свай (стоек и висячих свай) ведутся по таблицам и формулам СНиП 2.02.03-85.

Контроль за качеством возведения фундаментов

Для проведения испытаний и контроля за правильностью сооружения фундаментов создаётся комиссия. Специалистам, входящим в комиссию, необходимо знать нормативные эксплуатационные требования к фундаментам, указанные в СНиПе, и возможные конструктивные их решения, а также характеристику фундаментов здания согласно его проекту. Все эти сведения можно свести в несколько групп:

о реальных воздействиях на фундаменты - о величине и характеристике нагрузок, о структуре, прочности и влажности оснований, об атмосферных осадках и состоянии грунтовых вод, их глубине залегания и агрессивности, об опасности пучения грунтов, а также о требованиях к глубине заложения фундаментов;

об особенностях конкретных вариантов решений фундаментов - ленточных, столбчатых, сплошных, свайных и др. применительно к данным гидрогеологическим и климатическим условиям;

об эксплуатационных требованиях к фундаментам - их прочности, устойчивости, глубине заложения с учётом нагрузок, несущей способности грунтов, уровне грунтовых вод и глубине промерзания, а также о мерах защиты фундаментов от атмосферных осадков и грунтовых вод, от морозного пучения;

об элементах фундаментов, удовлетворяющих предъявленным к ним эксплуатационным требованиям, - о несущем элементе, который должен быть заглублен с учетом прочности грунтов, величины нагрузок, наличия грунтовых вод и глубины промерзания, а также о наличии гидроизоляции, отмостки и др.

Специалисту необходимо в итоге построить структурную схему фундамента в общем виде с обозначением на ней всех воздействующих факторов и сочетанием конструктивных элементов.

Пользуясь перечисленными требованиями (сведениями) о грунтах и фундаментах проводится квалифицированная экспертиза и даётся техническая оценка фундаменту. Специалисты должны выявить насколько последний отвечает своему назначению, в какой мере в проекте и при строительстве правильно и всесторонне учтены предъявленные к фундаменту эксплуатационные требования и как они реализованы: насколько рационально выбран тип фундамента, его материал, размеры, заглубление, а также сколь эффективно решена защита его от атмосферных осадков и грунтовых вод.

Если итоги такого анализа положительны - значит, фундамент спроектирован и построен с учетом всех предъявленных к нему требований и местных условий. Если же будут выявлены недостатки и ошибки, допущенные в проекте или при строительстве, то их надо тщательно изучить, чтобы своевременно устранить или предотвратить их развитие.

Если строительство после возведения фундамента приостановлено, то проверка фундамента на соответствие требованиям ГОСТа и СНиП должна проводиться непосредственно перед продолжением строительства.

Основные выводы

При разработке оснований и возведении фундаментов, для достижения качества работ, инженерам необходимо придерживаться соответствующих требований, изложенных в СНиПах и ГОСТах, необходимо знать свойства грунтов, применительно к определенному региону застройки. На стройке должны также соблюдаться правила техники безопасности. За соблюдением всех требований должен вестись контроль вышестоящих организаций. При несоблюдении правил строительство приостанавливается до устранения ошибок.

На стройке должна быть в наличии нормативная документация, основания и фундаменты должны соответствовать плану застройки.

При соблюдении всех требований достигается высокий уровень качества производимых работ. В условиях рынка необходима стройная система организационно-технического образования инженерных кадров, которая помогла бы им овладеть методами организационно-технической оценки решений, выработать профессионализм, умение видеть перспективу, умение анализировать любую возникающую во время строительства проблему и уметь её устранить.