• Материалы
  • 02.09.2015

Эффективное строительство фундаментов

Как сделать возведение фундамента эффективным конструктивно, технологически и экономически? Фундаментальные вопросы фундаментальной проблемы… Сделаем краткий обзор решений, предлагаемых отечественным и зарубежным опытом проектирования и строительства нового поколения фундаментов зданий и сооружений.

Практически каждому, кто даже не имеет отношения к строительству, известно, что устойчивость здания зависит от надежности его фундамента. Профессионалам стройотрасли конструктивной истины недостаточно: им важно, как ее реализовать на практике в конкретной строительной ситуации, с конкретными средствами и ресурсами и в конкретное время.

Критерии эффективного проектирования и строительства фундаментов

Средняя стоимость возведения нулевого цикла здания составляет 10–12% от стоимости строительно-монтажных работ. Для отдельных производственных и технологических сооружений этот показатель может превышать 30%. Такие цифры иллюстрируют важность приложения потенциальных усилий проектировщиков и строителей в целях уменьшения стоимости возведения фундамента. Но какой процентный показатель надежности и устойчивости всего здания или сооружения закладывается в фундамент? Очевидно, что гораздо больший в процентном исчислении, чем стоимостном.

Найти оптимальное соотношение между стоимостью фундамента и его эксплуатационной надежностью, которое ранее, делая упор на экономике, было принято называть эффективностью капвложений (а теперь просто эффективностью), предполагая вдобавок к экономической еще и техническую составляющую – вот стратегия современного фундаментостроения. Тактические же приемы диктуются конкретной строительной ситуацией, каждый раз разной на разных стройплощадках, но общей для всех по слагающим ее факторам, главные среди которых:

  • инженерно-геологические;
  • климатические;
  • гидрогеологические;
  • технологические;
  • экономические (платежеспособность);
  • объемно-планировочные (конструктивные и планировочные решения);
  • ситуационные (градостроительные условия размещения площадки).

Таким образом, правильная и всесторонняя предпроектная оценка строительной ситуации и есть основа для проектирования и строительства эффективного фундамента, основные критерии которого при условии обеспечения его пространственной устойчивости и несущей способности следующие:

  • эксплуатационная надежность;
  • ресурсосберегаемость;
  • максимальная технологичность возведения;
  • конструктивная адекватность условиям эксплуатации;
  • минимальная стоимость.

Оценка основных условий строительной ситуации

Категории оснований

Проведенный в прошлые годы УП «БелНИИС» анализ инженерно-геологических условий строительства в Беларуси показал, что основания имеют ряд однородных свойств и признаков, оказывающих особенно решающее влияние на технологию устройства фундаментов (В. Кравцов «Пути повышения эффективности фундаментостроения в условиях Беларуси»).

К таким признакам относятся мощность несущих слоев грунта, их расположение по глубине, вид грунта и его прочность, которые можно принять за базовые модули при унификации инженерно-геологических условий республики. Исходя из этого, вся совокупность оснований сведена к трем категориям сложности:

  • I категория – простое (однородное, устойчивое) основание из минеральных грунтов средней прочности, характеризующееся расчетным сопротивлением R ≥ 0,15 МПа (15 т/м²) и отсутствием грунтовых вод в пределах разведанных глубин;
  • II категория – средней сложности (условно однородное, условно устойчивое) основание с наличием искусственных и природных слоев грунта средней прочности мощностью до 6 м (отсюда и условная однородность) и малопрочных и водонасыщенных линз подстилающих минеральных слоев с расчетным сопротивлением грунта R ≤ 0,15 МПа (15 т/м?), покоящихся на грунтах средней прочности;
  • III категория – сложное (неоднородное, неустойчивое) основание с наличием искусственных (насыпных) слоев и подстилающих их водонасыщенных биогенных (со значительным содержанием органических веществ) грунтов малой прочности с расчетным сопротивлением R ? 0,1 МПа (10 т/м?).

Следуя посылу технико-экономической эффективности строительства, ряд научно-исследовательских источников рекомендует применение в указанных категориях оснований следующих конструктивных типов фундаментов:

  • I категория оснований – плитные ленточные, плитные столбчатые, свайные (в т.ч. микросвайные);
  • II категория оснований – сплошные, свайные (в т.ч. микросвайные);
  • III категория оснований – сплошные, свайные (сборные и монолитные с расширяющейся пятой).

В схематичном и более систематизированном виде эти рекомендации представлены в табл. 1.

tablica1.jpg

Сезонное промерзание грунтов

Среди климатических факторов, влияющих на выбор типоразмера и технологию возведения фундаментов, самым существенным является сезонное промерзание грунтов. Характер воздействия на фундамент сезонного промерзания грунта напрямую зависит от вида слагающих основание грунтов.

В случаях, когда основание фундамента состоит из пучинистых или склонных к пучению грунтов (крупнообломочных с глиняным заполнением, пылеватых и мелкозернистых песков, супесей, суглинков и глин), глубину заложения фундаментов наружных стен и колонн назначают в зависимости от нормативной глубины сезонного промерзания грунтов, при условии, что данные грунты обладают достаточной несущей способностью. В Беларуси максимальная глубина промерзания колеблется от 0,75–1,0 м (Новогрудок, Столбцы, Воложин, Лепель – в порядке возрастания) до 1,50 м (Барановичи, Березино, Василевичи, Волковыск, Костюковичи, Кличев).

Поскольку глубина заложения фундамента напрямую влияет на такой критерий его эффективности, как ресурсосбережение, при проектировании фундаментов на пучинистых грунтах необходимо сделать сравнительный расчет по варианту замещения основания из пучинистых грунтов на искусственное (песок, щебень, песчано-гравийная смесь) с целью уменьшения глубины.

Ветровые нагрузки и другие неблагоприятные факторы

Из иных к факторам климатического воздействия, учитываемого при проектировании фундаментов, следует относить ветровые нагрузки и степень парусности здания или сооружения. Существенным элементом ресурсосбережения, например, при применении фундамента свайного типа под небольшие нагрузки может стать безростверковый фундамент.

Неблагоприятные гидрогеологические условия, в числе которых высокий уровень грунтовых вод, агрессивность по отношению к материалу фундамента, капиллярное сезонное движение вод под проникающим воздействием дождевых или паводковых вод – еще один существенный аспект для вариантных проектных проработок по фундаменту. Помимо провоцирования сильной пучинистости пылеватых и суглинистых грунтов, грунтовые воды непредсказуемо ослабляют несущую способность оснований. Проектирование и строительство эффективного фундамента в условиях высокого уровня грунтовых вод при всей изученности вопроса – далеко не простая задача.

Традиционные типы фундаментов в аспекте эффективности их применения

Плитные ленточные фундаменты

При строительстве зданий самыми распространенными издавна являются плитные ленточные фундаменты, чаще называемые просто ленточными. Конструктивно представляют собой непрерывные стеновые ленты, равномерно загруженные вышележащими несущими конструкциями здания. Ленты опираются на распределительные подушки, т.н. фундаментные плиты, передающие нагрузку на основание. Плитные ленточные фундаменты применяются, как правило, при возведении бескаркасных зданий, зданий с подвальной или цокольной частью, а также каркасных зданий в тех случаях, когда в грунтах основания фундамента в районах приложения нагрузок от несущих элементов каркаса (колонн, например) имеются прослойки неоднородных по сжимаемости, просадочных или слабых грунтов.

По типу исполнения разделяются на монолитные, возводимые непосредственно на строительной площадке, и сборные, монтируемые из готовых типовых железобетонных блоков. Монолитные ленточные фундаменты выполняются в основном из железобетона и бутобетона (бетон с крупным минеральным заполнителем).

Плитные фундаменты из монолитного бетона особенно эффективны в инженерно-геологических условиях оснований I категории, т.к. на 30–50% экономичнее по стоимости, материалоемкости и трудоемкости аналогичных сборных конструкций заводского изготовления.

В диапазоне нагрузок 30–250 кН монолитные ленточные плитные фундаменты экономически целесообразны только при глубине их заложения не более 1,5 м, а для ленточных из сборных блоков и плит – не более 1,2 м. Для каркасных и панельных зданий с поперечными несущими стенами, возводимых на неравномерно сжимаемых грунтах категории II, рекомендуется применять перекрестные ленточные фундаменты.

Плитные столбчатые

Плитные столбчатые или просто столбчатые фундаменты получили свое распространение с началом массового строительства каркасных зданий. Столбчатые фундаменты устраиваются непосредственно под несущие колонны зданий и сооружений каркасного типа, а также зданий бескаркасного типа, когда несущий слой основания залегает на значительной глубине (3–5 м), из-за чего применение ленточного фундамента экономически нецелесообразно. Этот тип фундаментов по расходу материалов и трудозатратам в 1,5–2 раза экономичнее ленточных.

Устройство отдельных столбчатых фундаментов под колонны и несущие стены (с фундаментными балками) допускается, если неравномерность осадок не превышает предельно допустимых по ТНПА значений, а средняя осадка составляет не более 50 мм.

Есть у столбчатых фундаментов и другие особенности, мешающие в ряде случаев их успешному применению. Так, в горизонтально подвижных грунтах недостаточна их устойчивость к опрокидыванию, и для погашения бокового сдвига требуется устройство жесткого железобетонного ростверка. Ограничено применение столбчатых фундаментов на слабонесущих грунтах при строительстве домов с тяжелыми стенами. Кроме того, при столбчатых фундаментах возникают сложности с устройством цоколя: если при ленточных фундаментах цоколь образуется как бы сам собой, являясь их продолжением, то при столбчатых заполнение пространства между столбами, стеной и землей (забирка) – сложное и трудоемкое дело.

Как и ленточные, предусматриваются в двух исполнениях: монолитном и сборном. В зданиях без подвалов наиболее конкурентоспособными являются мелкозаглубленные и незаглубленные сборные плитные фундаменты на песчаной подушке, которые дешевле монолитных аналогов.

pic1.jpg

Сплошные фундаменты

Сплошные фундаменты сооружаются под всей площадью здания или сооружения и представляют собой сплошную или решетчатую плиту из перекрестных лент, выполненную из монолитного железобетона либо из сборных перекрестных ж/б балок с жесткой заделкой стыковых соединений. Сплошные фундаменты в виде плиты возводятся при значительных нагрузках и небольшой площади здания или при слабых и неоднородных грунтах основания. Незаменимы при строительстве на неравномерно и сильно сжимаемых грунтах, например, на насыпных (песчаных подушках, слежавшихся свалках, сильно пучинистых грунтах и т.п.), а также в основаниях с высоким уровнем грунтовых вод.

Иногда к таким фундаментам применяют термин «плавающий». Выполняются, как правило, мелкозаглубленными. Особенно эффективное применение сплошные плитные фундаменты находят при возведении железобетонных емкостных сооружений, а также модульных зданий и сооружений, когда верх плиты является одновременно полом здания или сооружения.

Для промышленных сельских зданий эффективны комбинированные незаглубленные плитные фундаменты, а в отдельных случаях тонкие массивные плиты под все здание, в т.ч. на несущем слое (геомассиве) из щебеночных мелкозаглубленных свай уплотнения с давлением на основание до 0,6 МПа, которые особенно незаменимы в сложных инженерно-геологических условиях.

При отсутствии необходимости возведения цоколя при строительстве небольших зданий и различного рода сооружений промышленного назначения каркасного типа нагрузка на плитный фундамент передается через монолитные железобетонные стойки. Массивные плитные и плитно-свайные фундаменты целесообразно применять для зданий повышенной этажности (не менее 12 этажей), возводимых на площадках с неравномерно сжимаемыми по глубине основаниями II и III категорий сложности.

Монолитные фундаменты коробчатого типа

Особую разновидность плитных фундаментов представляют монолитные фундаменты коробчатого типа, выполняемые в неблагоприятных инженерно-геологических и гидрологических условиях в виде железобетонного или бутобетонного массива под опорные конструкции линейных (мостов, эстакад и т.п.) и точечных (башни, монументы и т.п.) сооружений.

Свайные фундаменты

Свайные фундаменты представляют собой опорные конструкции глубокого заложения и выполняются из отдельных свай или групп свай, обычно раскрепленных в верхней части ростверком. Свайные фундаменты устраивают в случаях, когда необходимо передать на слабый грунт значительные нагрузки или же пройти слабый грунт и опереться на более прочный. Сваи, проходящие через слабые слои грунта и опирающиеся на прочный грунт, называются стоечными. Сваи, не достигающие прочного грунта и выполняющие свою «несущую миссию» за счет сил трения, возникающих между их боковой поверхностью и грунтом, называются висячими.

pic2.jpg

Сваи применяются для больших и мощных зданий с нагрузкой на обрезе фундамента от 15–25 т/м?, Однако в виде коротких и тонких асбоцементных или металлических труб, деревянных или ж/б брусьев, соединенных сваркой прокатных изделий из металла (так называемых микросвай), с успехом могут быть использованы и в индивидуальном домостроении.

Свайные фундаменты выполняются в сборном и монолитном и сборно-монолитном вариантах. По способу внедрения сборные сваи могут быть забивными и компрессионными (вдавливаемыми). Сборно-монолитные сваи являются гибридом сборных и монолитных технологий.

Применение забивных свай имеет ограничения в условиях плотной городской застройки по соображениям безопасности конструктивной стабильности близлежащих зданий. Компрессионные сваи имеют значительное преимущество перед забивными, т.к. погружаются в грунт методом гидравлического статического или динамического вдавливания в предварительно выработанную скважину. Экономический эффект при применении забивных и компрессионных свай зависит от прочностных свойств грунтов и производительности применяемых механизмов.

Многие теоретики и практики фундаментостроения склонны предполагать, что будущее свайного строительства в населенных пунктах – за компрессионными технологиями.

Монолитные сваи выполняются на площадке строительства путем внедрения бетона в предварительно выработанные скважины. Разнообразие традиционных и современных способов выработки (проходки) скважин определяет различие в технологических приемах строительства монолитных фундаментов, получивших такие соответствующие способам строительства наименования, как буронабивные, пробито-набивные (выдавленные скважинным штампом), буросекущие, буровинтовые.

Основная область применения буронабивных, буровинтовых и компрессионных свай –строительство и реконструкция сооружений вблизи существующей застройки, когда требуется исключить динамические воздействия на близлежащие сооружения или недопустимые деформации от разрыхления грунтов при проходке буровых скважин.

Свайные фундаменты из забивных стандартных свай следует применять, когда плитные фундаменты не обеспечивают допустимых по ТНПА деформаций.

При проектировании свайных фундаментов следует исходить из того, что забивные сваи всегда более экономичны и технологичны, чем набивные большого сечения, полые круглые сваи и компрессионные сваи-колонны.

Буросекущие сваи целесообразны в качестве комбинированных конструкций (несущих и ограждающих) при устройстве заглубленных частей сооружений: стен, ограждений глубоких котлованов и освоении подземного пространства.

В настоящее время нашли широкое применение новые индустриальные конструкции монолитных свай в пробитых скважинах, которые даже в благоприятных грунтах оказываются экономичнее традиционных.

Особенно эффективны сваи в пробитых (выштампованных, вытрамбованных, раскатанных, проколотых скважинах), изготовленные специальными скважинообразующими штампами (по форме будущей сваи) с последующим заполнением их бетонной или грунтобетонной смесью.

Комментарии
Комментариев к материалу пока нет
Оставить комментарий