Грунтовое основание

Грунтовое основание – один из ключевых элементов системы «здание – фундамент – грунт», определяющий надежность и долговечность любой конструкции. Оно представляет собой массу грунта, воспринимающую нагрузки от сооружения через фундамент. Правильная оценка несущей способности основания, учет его свойств и возможных изменений во времени критически важны при проектировании и эксплуатации зданий.

Рассмотрим основные характеристики грунтов, методы их исследования, критерии прочности и устойчивости, а также влияние различных факторов на поведение грунтового основания.

1. Классификация грунтов по строительным нормам

Грунты классифицируются по различным признакам:

  1. По происхождению:

    • Скальные (магматические, осадочные, метаморфические породы).
    • Полускальные (трещиноватые, обломочные породы).
    • Нескальные (глинистые, песчаные, супеси, суглинки, торфяные).

  2. По зерновому составу:

    • Крупнообломочные (гравий, галька, валуны).
    • Песчаные (мелкие, средние, крупные, гравелистые).
    • Глинистые (супеси, суглинки, глины).

  3. По состоянию:

    • Влажные (водонасыщенные, капиллярно-влажные, с водоносными слоями).
    • Замороженные (сезонного и вечномерзлого распространения).

  4. По степени водонасыщения и устойчивости:

    • Просадочные (суглинки, лёссы).
    • Пучинистые (глинистые грунты при промерзании).
    • Стабильные (малосжимаемые пески, плотные глины).

2. Основные свойства грунтов, влияющие на устойчивость основания

При проектировании и обследовании грунтового основания учитываются следующие параметры:

  1. Плотность – масса единицы объема грунта (кг/м³).
  2. Коэффициент пористости (e) – отношение объёма пустот к объёму твёрдых частиц.
  3. Влажность (w) – процентное содержание воды в грунте.
  4. Коэффициент фильтрации (k) – скорость фильтрации воды через грунт (м/сут).
  5. Коэффициент сжимаемости (m₀) – изменение объема грунта при изменении нагрузки.
  6. Угол внутреннего трения (φ) – сопротивляемость грунта сдвигу.
  7. Сцепление (c) – адгезия между частицами грунта.
  8. Несущая способность (R) – предельная нагрузка, которую грунт может выдержать без разрушения.

Эти параметры определяются лабораторными и полевыми исследованиями.

3. Методы обследования и исследования грунтового основания

Для получения достоверных данных о грунте применяются следующие методы:

3.1. Полевые исследования

  • Бурение разведочных скважин с отбором керна.
  • Статическое зондирование (измерение сопротивления при погружении конуса).
  • Динамическое зондирование (испытание ударными нагрузками).
  • Испытание штампами (определение деформационных характеристик).
  • Пьезометрические исследования (изучение уровня грунтовых вод).

3.2. Лабораторные исследования

  • Гранулометрический анализ (определение состава частиц).
  • Определение прочностных характеристик (испытания на сжатие, сдвиг).
  • Испытание на водопроницаемость.
  • Измерение консистенции и пластичности (для глинистых грунтов).

Результаты этих исследований являются основой для расчета оснований и фундамента.

4. Расчет оснований: основные методы

Проектирование оснований зданий и сооружений выполняется с учетом:

4.1. Расчет по предельным состояниям

Используется два предельных состояния:

  • I группа – разрушение основания или чрезмерные деформации (потеря устойчивости).
  • II группа – недопустимые осадки и крены.

Основные формулы:

Несущая способность грунта:

q=c⋅Nc+γ⋅D⋅Nq+0.5⋅γ⋅B⋅Nγq = c \cdot N_c + \gamma \cdot D \cdot N_q + 0.5 \cdot \gamma \cdot B \cdot N_γ

где:

  • cc – сцепление,
  • γ\gamma – удельный вес грунта,
  • DD – глубина заложения фундамента,
  • BB – ширина основания,
  • Nc,Nq,NγN_c, N_q, N_γ – коэффициенты прочности грунта.

4.2. Определение осадки (S)

S=qB(1−μ2)ES = \frac{q B (1 - \mu^2)}{E}

где:

  • μ\mu – коэффициент Пуассона,
  • EE – модуль деформации.

Если осадка превышает допустимые значения, применяются усиления основания.

5. Влияние грунтовых вод и сезонных факторов

5.1. Грунтовые воды

Высокий уровень грунтовых вод вызывает:

  • Размягчение глинистых грунтов.
  • Выщелачивание карбонатных пород.
  • Коррозию фундамента.

5.2. Морозное пучение

Вода в порах глинистых грунтов при замерзании увеличивает объем, что вызывает подъем и растрескивание конструкций.

5.3. Деградация грунта под нагрузками

  • Уплотнение песчаных грунтов.
  • Разжижение водонасыщенных грунтов при вибрациях (сейсмическое воздействие).

6. Способы усиления слабых оснований

Если грунт не обладает достаточной несущей способностью, применяют:

  • Уплотнение грунта (трамбование, вибрация).
  • Дренажные системы (понижение уровня грунтовых вод).
  • Замена грунта (укладка песчаных подушек).
  • Цементация и силикатизация (химическое закрепление).
  • Использование свайных фундаментов (передача нагрузки на более прочные слои).

Грунтовое основание – это ключевой фактор устойчивости и долговечности зданий и сооружений. Ошибки в его оценке могут привести к катастрофическим последствиям – просадкам, трещинам, обрушениям. Поэтому перед строительством необходимо провести детальное инженерное обследование, правильно выбрать тип фундамента и предусмотреть возможные изменения грунта во времени.