Общие сведения
Фундаменты должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать достаточной прочностью в устойчивостью па опрокидывание и скольжение в плоскости подошвы, сопротивляться влиянию грунтовых и агрессивных вод. а также влиянию атмосферных факторов (морозостойкость), соответствовать по долговечности сроку службы здания, быть индустриальными в изготовлении и экономичными.
По конструкции фундаменты могут быть ленточные, столбчатые, сплошные и свайные.
Ленточные фундаменты устраивают под стены здания или под ряд отдельных опор. В первом случае фундаменты имеют вид непрерывных подземных стен (рис. 62, а), во втором — железобетонных перекрестных балок (рис. 62, б).
Столбчатые, или отдельные, фундаменты имеют вид отдельных опор, устраиваемых под стены (рис. 62, в), колонны (рис. 62, г) или столбы.
Сплошные фундаменты представляют собой сплошную безбалочную или ребристую железобетонную плиту под всей площадью здания (рис. 62, д).
Свайные фундаменты состоят из отдельных свай, объединенных вверху бетонной и железобетонной плитой или балкой, называемой ростверком (см. рис. 73).
Сваей называется стержень, погруженный в грунт и предназначенный для передачи грунту нагрузки от сооружения.
По характеру работы под действием нагрузки фундаменты различают жесткие, материал которых работает преимущественно на сжатие и в которых не возникают деформации изгиба, и гибкие, работающие преимущественно на изгиб.
Для возведения жестких фундаментов применяют кладку из природного камня неправильной формы (бутового камня или бутовой плиты), бутобетона или бетона. Для устройства гибких фундаментов используют исключительно железобетон.
Ленточные фундаменты
По очертанию в профиле ленточный фундамент под каменную стену представляет собой в простейшем случае прямоугольник (рис. 63, а). Ширину бутового фундамента поверху делают немного больше толщины стены, предусматривая с каждой ее стороны уступы по 50—60 мм, называемые обрезами.
Прямоугольное сечение фундамента по высоте допустимо лишь при небольших нагрузках на фундамент и достаточно высокой несущей способности грунта.
В большинстве случаев для передачи давления на основание, не превышающего нормативного давления на грунт, приходится уширять подошву фундамента.
Теоретической формой сечения фундамента с уширенной подошвой является трапеция (рис. 63, б). Уширение подошвы не должно быть большим во избежание появления растягивающих и скалывающих напряжений в выступающих частях фундамента и появления в них трещин.
На основе опыта установлены предельные углы наклона теоретической боковой грани фундамента к вертикали, при которой не возникают опасные растягивающие и скалывающие напряжения. Предельный угол α, называемый условно углом распределения давления в материале фундамента, составляет для бутовой кладки на сложном растворе состава 1:1:9 — 26°30', на цементном растворе 1:4 —33°30', для бетона — 45°.
Практически фундаменты делают ступенчатого сечения (рис. 63, в). В зданиях с подвалами сечение фундамента в пределах подвала устраивают прямоугольной формы с уширением ниже пола подвала, называемым подушкой (рис. 63, г).
Ширина бутовых фундаментов для обеспечения необходимой перевязки швов должна быть не менее 0,6 мм для кладки из рваного бута и 0,5 м из бутовой плиты. Высота ступеней в бутовых фундаментах составляет обычно около 0,5 м, ширина их — от 150 до 250 мм.
Глубина заложения фундамента должна соответствовать глубине залегания того слоя грунта, который по своим качествам можно принять для данного здания за естественное основание.
Кроме того, при определении глубины заложения фундамента необходимо учитывать глубину промерзания грунта. Если основание состоит из влажного мелкозернистого грунта (песка мелкого или пылеватого, супеси, суглинка или глины), то подошву фундамента нужно располагать не выше уровня промерзания грунта.
Уровень промерзания грунта принимают на такой глубине, где зимой наблюдается температура 0°, за исключением глинистых и суглинистых грунтов, для которых уровень промерзания принимается на меньшей глубине, такой, где возникает температура около —1°.
Нормативная глубина промерзания суглинистых и глинистых грунтов указана в СНиПе на схематической карте, на которой нанесены линии одинаковых нормативных глубин промерзания, выраженных в сантиметрах (см. СНиП II-A. 6—62 и рис. 64).
Нормативную глубину промерзания пылеватых глин и суглинков, мелких и пылеватых песков и супесей принимают также по карте, но с коэффициентом 1,2.
Исследованиями установлено, что грунты под фундаментами наружных стен регулярно отапливаемых зданий (с температурой помещений не ниже +10°) промерзают на меньшую глубину, чем на открытой площадке. Поэтому расчетную глубину промерзания под фундаментами отапливаемых зданий уменьшают против нормативного значения на 30% при полах на грунте; на 20%, если полы на лагах по грунту, и на 10%, когда полы уложены на балках.
Глубина заложения фундамента под внутренние стены отапливаемых зданий не зависит от глубины промерзания грунта; ее назначают не менее 0,5 м от уровня земли или пола подвала.
Глубину заложения фундаментов стен зданий, имеющих неотапливаемые подвалы, назначают от пола подвала, и она равна половине расчетной глубины промерзания.
В непучинистых грунтах (крупнообломочных, а также песках гравелистых, крупных и средней крупности) глубина заложения фундамента не зависит от глубины промерзания; однако она не должна быть менее 0,5 м, считая от природного уровня грунта при планировке подсыпкой и от планировочной отметки при планировке срезкой.
Ленточный фундамент из бутового камня под кирпичную стену изобрази на рис. 65, а. Фундаменты из бутового камня не отвечают требованиям современного индустриального строительства, поскольку применение бутового камня затрудняет механизацию работ и снижает их темпы, особенно в зимнее время. Применение ленточпых бутобетонных (рис. 65, б) и бетонных фундаментов позволяет значительно шире использовать механизацию при их возведении.
Наиболее индустриальны сборные бетонные и железобетонные фундаменты из крупных фундаментных блоков. Применение сборных фундаментов позволяет значительно сократить сроки строительства и уменьшить трудоемкость работ.
Сборный фундамент
Сборный фундамент (рис. 66, а) состоит из двух элементов: подушки, выполняемой из железобетонных блоков прямоугольной или трапецеидальной формы (рис. 66, б), укладываемой на тщательно утрамбованную песчаную подготовку толщиной 150 мм, и вертикальной стенки из блоков в виде бетонных прямоугольных параллелепипедов (рис. 66, в).
Блоки-подушки изготовляют толщиной 300 и 500 мм, шириной 10, 12, 14, 16, 20, 24, 28 и 30 дм и длиной 12, 24 и 30 дм, блоки-стенки — шириной 300, 400, 500, 600 мм, высотой 580 мм и длиной 780 и 2380 мм.
При строительстве на слабых (сильносжимаемых) грунтах в сборных фундаментах для повышения их жесткости и сопротивления растягивающим усилиям устраивают железобетонные пояса толщиной 100—150 мм или армированные швы толщиной 30—50 мм, размещая их между подушкой и нижним рядом фундаментных блоков, а также на уровне верхнего обреза фундамента.
В целях сокращения расхода бетона и уменьшения веса блоки стен подвала иногда изготовляют пустотелыми с узкими сквозными пустотами шириной не более 40 мм или с широкими замкнутыми (рис. 66, г). Однако пустотелые блоки неприменимы в насыщенных водой грунтах, так как в пустотах может скопиться вода, которая при замерзании может разрушить тонкие стенки блоков.
Стены фундаментов, монтируемые из крупных блоков, несмотря на их большую прочность, иногда делают толще надземной части стен. В результате прочность материала фундамента используется всего на 15—25%. Расчеты показывают, что толщину стен сборных фундаментов можно принимать равной толщине надземных стен или даже меньшей ее, но не менее 300 мм.
В последние годы были построены дома, в которых сборные фундаменты из сплошных блоков имеют толщину 380 мм при толщине надземных стен 640 мм (рис. 67, а). При такой конструкции прочность материала фундамента используется полнее и получается экономия бетона.
Экономию материала можно получить при устройстве так называемых прерывистых фундаментов (рис. 67, б), которые состоят из железобетонных, блоков-подушек, уложенных не вплотную, как это предусмотрено в ленточных фундаментах, а на некотором расстоянии один от другого (примерно от 0,2 до 0,9 м). Промежутки между блоками засыпают грунтом.
В случае применения прерывистых фундаментов существенно изменяется распределение напряжений в грунте под подошвой фундамента. Глубина напряженных зон (см. рис. 59) под каждым блоком-подушкой будет меньше, чем у ленточного фундамента, вследствие чего осадка прерывистого фундамента будет также меньше. Поэтому прерывистые фундаменты можно устраивать с меньшей опорной площадью, чем непрерывные ленточные, в результате чего снижается расход материалов.
В крупнопанельных эданиях отдельные блоки фундаментов и стен подвалов целесообразно заменять крупноразмерными элементами. Например, для зданий с поперечными несущими стенами можно укладывать ленточные железобетонные фундаменты (рис. 68, а) в виде блоков-подушек толщиной 300 и длиной 3500 мм. На блоки устанавливают панели, представляющие собой сквозные железобетонные рамы, имеющие толщину 240 мм и высоту, равную высоте подвального помещения. Нижний пояс рам воспринимает отпор грунта, а верхний — нагрузку, передаваемую несущими поперечными стенами. По расходу бетона зта конструкция является весьма экономичной. Самонесущие продольные стены подвала опирают на выступы фундаментных блоков-подушек под поперечные стены.
На рис. 68, б изображен фундамент в виде плоских железобетонных панелей толщиной 14 см, являющихся по существу продолжением несущих поперечных панельных стен здания. Для пропуска инженерных коммуникаций в таких панелях устраивают необходимые отверстия. Эту конструкцию фундаментов целесообразно применять в 9-этажных панельных домах взамен описанных выше фундаментов в виде рамных каркасов с целью сокращения расхода стали.
Все рассмотренные выше фундаменты, имеющие симметричное сечение, можно применять лишь в тех случаях, когда равнодействующая всех воспринимаемых ими сил вертикальна и совпадает с осью фундамента или смещена от нее не более чем на 50 мм (рис. 69, а).
Если же нагрузка действует на фундамент внецентренно, т. е. равнодействующая смещена от оси фундамента более чем на 50 мм (это смещение называют эксцентриситетом и обозначают е), то давление на грунт передается неравномерно: оно будет больше у того края подошвы фундамента, к которому ближе равнодействующая сил (рис. 69, б).
Причинами такого смещения равнодействующей могут быть внецентренная передача нагрузки на стену от перекрытия или действие горизонтальных сил (давление ветра на стену, грунта на фундамент здания с подвалом и пр.).
Краевое давление на грунт под более нагруженным краем фундамента не должно превышать нормативного давления на грунт более чем на 20%. В противном случае приходится устраивать несимметричный фундамент, уширяя его в сторону смещения равнодействующей так, чтобы последняя проходила через середину подошвы (рис. 69, в).
Столбчатые и сплошные фундаменты
При незначительных нагрузках на фундамент, когда давление на грунт меньше нормативного, непрерывные ленточные фундаменты под стены малоэтажных домов целесообразно заменять столбчатыми. Фундаментные столбы (бетонные или железобетонные) перекрывают железобетонными фундаментными балками, на которых возводится стена. Для того чтобы устранить возможность выпирания фундаментной балки вследствие пучения расположенного под ней грунта, под ней устраивают подушку из песка или шлака толщиной 0,5 м.
Расстояние между осями фундаментных столбов принимают 2,5—3 м. Столбы располагают обязательно под углами здания, в местах пересечения и примыкания стен в под простенками.
Схемы конструктивного решения сборных столбчатых железобетонных фундаментов под стены малоэтажных каменных и деревянных зданий приведены на рис. 70.
Столбчатые фундаменты под стены возводят также в зданиях большой этажности при значительной глубине заложения фундамента (4—5 м), когда устраивать ленточный непрерывный фундамент невыгодно вследствие большого его объема и, следовательно, большого расхода материалов. Столбы перекрывают сборными железобетонными балками, на которых возводят стены.
Столбчатые одиночные фундаменты устраивают также под отдельные опоры малоэтажных и многоэтажных зданий.
На рис. 71, а изображен сборный фундамент под кирпичный столб; он выполнен из железобетонных блоков-подушек. Более экономно для фундаментов под кирпичные столбы укладывать железобетонные блоки-плиты (рис. 71,6). Сборные фундаменты под железобетонные колонны каркасных зданий могут состоять из одного железобетонного башмака стаканного типа (рис. 71, в) или из железобетонных блока-стакана и опорной плиты под ним (рис. 71, г).
Когда нагрузка, передаваемая на фундамент, значительна, а грунт основания слабый, в некоторых случаях устраивают сплошные фундаменты под всей площадью здания.
Сплошные фундаменты
Сплошные фундаменты сооружают обычно в виде железобетонных монолитных плит, которые могут быть ребристыми (рйс. 72, а) или безбалочными (рис. 72, б).
Эта конструкция особенно целесообразна тогда, когда необходимо защитить подвал от проникания грунтовой воды при высоком ее уровне, если пол подвала подвергается снизу большому гидростатическому давлению.
Свайные фундаменты
Свайные фундаменты устраивают в тех случаях, когда необходимо передать на слабый грунт значительные нагрузки.
Сваи различают по материалу, по методу изготовления, погружения в грунт и по характеру работы в грунте. По материалу сваи бывают деревянные, железобетонные, бетонные, стальные и комбинированные. По методу изготовления и погружения в грунт сваи бывают забивные, погружаемые в грунт в готовом виде, и набивные, изготовляемые непосредственно в грунте.
В зависимости от характера работы в грунте различают два вида свай: сваи-стойки и висячие. Сваи-стойки (рис. 73, а) своими концами опираются на прочный грунт (скальную породу) и передают на него нагрузку. Их применяют, когда глубина залегания прочного грунта не превышает возможной длины свай. Свайные фундаменты на сваях-стойках почти не дают осадки.
Если прочный грунт находится на значительной глубине, применяют висячие сваи (рис. 73,6). несущая способность которых определяется суммой сопротивления сил трения по боковой поверхности и грунта под острием сваи.
Более дешевые деревянные сваи. Но поскольку они быстро загнивают, если находятся в грунте с переменной влажностью, головы деревянных свай нужно располагать ниже самого низкого уровня грунтовых вод.
Железобетонные сваи дороже деревянных, но зато они способны выдерживать значительные нагрузки. Кроме того, проектная отметка голов железобетонных свай не зависит от уровня грунтовых вод, что расширяет область их применения.
Расстояние между осями свай определяют расчетом. В пределах наиболее часто встречающихся глубин погружения свай (от 5 до 20 м) эти расстояния для обычных диаметров свай составляют от 3d до 8d, где d — диаметр сваи.
В последние годы в жилищном строительстве возводят свайные фундаменты взамен обычных блочных. Их применение сокращает трудоемкие земляные работы, а при строительстве бесподвальных зданий они почти полностью отпадают. Кроме того, в сравнении с обычными блочными свайные фундаменты дают меньшие осадки, благодаря чему снижается вероятность неравномерных деформаций грунта.
Чаще других применяют короткие сваи — длиной 3—6 м. У таких свай, забиваемых в относительно плотные грунты (с нормативным давлением 2 кГ/см2 и более), сопротивление острия под нижним конном сваи достигает 80—85% от общего сопротивления сваи, благодаря атому, несмотря на малую длину коротких свай, значительно повышается их несущая способность.
Сваи под стенами домов устанавливают обычно в один или в два ряда.
Сваям придают прямоугольное сплошное сечение (250X350 мм), квадратное (от 250Х250 до 400X400 мм) или квадратное с круглой полостью. Весьма эффективны в технико-экономическом отношении сваи трубчатого сечения диаметром от 400 до 700 мм. Нижний конец их полый или со вставкой железобетонного башмака для применения в грунтах, позволяющих использовать вибропогружатели.
Поверху сваи связывают между собой железобетонным ростверком. Ширину ростверка при однорядном расположении свай принимают сечением 250x250 или 300x300 мм, т. е. равной толщине стены, но не менее 300 мм, высоту — 400—500 мм.
Ростверк устраивают двух видов — монолитный и сборный. На рис. 74, а приведен рае-рез свайного фундамента с монолитным ростверком.
При устройстве сборного ростверка его сопрягают со сваями с помощью заранее заготовленного железобетонного оголовка (рис. 74, б) с отверстием в виде усеченного конуса. Головы забитых в грунт свай приходится срубать для обнажения арматуры, а верх свай выравнивают цементно-песчаным раствором до проектной отметки.
На выровненную голову сваи устанавливают оголовок, в конусное отверстие которого пропускают оголенную арматуру свая. Затем отверстие заполняют бетонной смесью и на оголовки свай укладывают элемент сборного ростверка. После этого к закладным частям в оголовках и ростверке приваривают стальные накладки, замоноличивают их цементным раствором.
На рис. 74, е изображена часть плана свайного фундамента жилого дома с тремя продольными несущими стенами. Под наружными стенами сваи расположены в один ряд, под внутреннюю продольную — в два ряда в шахматном порядке. На рис. 74, а приведен пример расположения свайных фундаментов в поперечном разрезе жилого дома с несущими поперечными внутренними и самонесущими наружными стенами.
Детали устройства фундамента
От одной глубины заложения фундамента к другой переходят постепенно с устройством уступов (рис. 75). На грунтах с нормативным давлением менее 2 кГ/см2 отношение высоты уступа к его длине должно быть не более 1:2, причем высота уступа должна быть не больше 0,5 м, а длина — не менее 1 м. На более прочных грунтах (если нормативное давление Rн≥2,5 кГ/см2) отношение высоты уступа к его длине допускается не более 1:1, а высота уступа — не более 1 м.
Если здание возводится на сборных фундаментах, высоту уступа можно принимать равной высоте унифицированного блока, т. е. 0,6 л; в этом случае длина уступа должна быть не менее 1,2 м.
При наличии уступов в ленточном фундаменте армированные швы должны перекрывать друг друга на равных уровнях не менее чем на 50 диаметров арматуры и больше удвоенного расстояния между швами по высоте. Точно так же армированные швы должны перекрывать проемы, имеющиеся в стенке фундаментов (см. рис. 75).
Если при подготовке основания в грунте обнаруживают старые засыпанные колодцы, ямы, случайные слабые прослойки грунта, то во избежание неравномерной осадки фундаментов эти места нужно расчистить в заполнить кладкой, тощим бетоном или утрамбованным песком, а при возведении фундаментов над этими местами следует наложить армированные швы.
Фундаменты подвергаются увлажнению просачивающейся через грунт атмосферной влагой или грунтовой водой. Вследствие капиллярности влага по фундаменту поднимается вверх и в стенах первого этажа появляется сырость. Чтобы преградить проникание влаги в стены, в нижней их части устраивают изоляционный слой, чаще всего из двух слоев битумных рулонных материалов (рубероида), склеенных между собой водонепроницаемой битумной мастикой.
Гидроизоляционный слой укладывают в цокольной части стены выше обреза фундамента и выше уровня отметки или тротуара на 150—250 мм. Если полы настилают по грунту, необходимо устраивать также вертикальную гидроизоляцию в местах соприкосновения цоколя с грунтом на участке от уровня горизонтальной гидроизоляции до верха подготовки под полы. В зданиях с подвалами гидроизоляционный слой укладывают также поверху подушки фундамента.
Во избежание появления в здании трещин от неравномерной осадки фундамент вместе с расположенной на нем стеной разрезают вертикальным осадочным швом. Неравномерность осадки может быть вызвана различной этажностью отдельных участков здания (с разницей в два и более этажей) или различными (в пределах здания) качествами грунта.
Осадочный шов в непрерывных фундаментах выполняют в виде поперечной вертикальной щели. В шов закладывают вертикально поставленные обвернутые толем доски толщиной 13 мм. По окончании кладки ближайшие к его поверхности доски вынимают и швы в этих местах заполняют водонепроницаемым материалом (битумом, асфальтом и т. п.).
Осадочные швы в этих случаях предусматривают также в наземной части здания.
Технико-экономические показатели. Технико-экономическая эффективность применения различных типов ленточных фундаментов (бутовых, бутобетонных, сборных из пустотелых блоков, сборных из сплошных утоненных блоков и крупнопанельных, рис. 76) определяется показателями, приведенными в табл. 24.
Из табл. 24 видно, что более экономичны крупнопанельные фундаменты, однако на них расходуется стали больше, чем на блочные фундаменты.
