Особливості поводження гірських порід у підставі фундаментів будинків і споруд

Фундаментом будинку або споруди називається їх підземна частина, що сприймає навантаження від наземних конструкцій (власне будинків і споруд) і передає його на гірські породи, що є їх природною основою. У тих випадках, коли гірські породи мають недостатні щільність і міцність, їх штучно поліпшують і на цій штучно поліпшеній основі зводять фундаменти. Штучними основами називаються такі, які складені з поверхні штучно насипаними або намитими гірськими породами, що є основою фундаментів для споруд.

Фундаменти дрібного закладення мають відношення глибини закладення фундаменту до ширини (h/b) менше 0,5; середнього закладення h/b = 0,5 – 2; глибокого h/b = 2 – 4; і дуже глибокі закладення h/b > 4.

Для того щоб забезпечити стійкість, довговічність будинків і споруд і нормальні умови їх експлуатації в тих або інших інженерно-геологічних умовах, застосовують фундаменти різних типів і розмірів, заглиблюють їх на різну глибину від поверхні землі і зводять з дотриманням визначених правил. Фундаменти, передаючи тиск на гірські породи, обумовлюють їх напружений стан, що поширюється на значну глибину.

В інженерній практиці зону гірських порід нижче підошви фундаменту, у межах якої виникають додаткові напруги від ваги будинку або споруди, називають активною або зоною впливу споруди, тому що в ній відбувається деформація гірських порід (їх стиск), якщо додаткове навантаження достатнє для того, щоб перебороти внутрішній їх опір.

За діючими «Будівельними нормами і правилами» потужність активної (стисливої) зони приймається рівна відстані по осі фундаменту від його підошви до тієї глибини, де осьова стискаюча напруга складає 0,2 (20%) тиску від ваги перекриваючих мас гірських порід, тобто природного тиску. Якщо встановлена нижня границя активної зони розташовується в слабких гірських породах, що мають модуль загальної деформації менше 50 кгс/см², або якщо такі породи залягають безпосередньо нижче цієї границі, вони повинні бути включені до складу стисливої зони. У цих випадках границя активної зони проходить на глибині, де додаткова напруга складає 0,1 природного тиску.

Отже, при детальних дослідженнях будівельних
 майданчиків для проектованих будинків і споруд глибина розвідницьких вироблень у випадку поширення стисливих гірських порід повинна бути не менше глибини залягання нижньої границі активної зони..

При оцінці геологічних умов будівництва будинків і споруд за інших рівних умов необхідно враховувати, що:

1) потужність зони впливу споруди тим більша, чим більший розрахунковий тиск на підошві фундаменту;

2) при однаковій формі фундаментів потужність зони впливу тим більша, чим більша їх площа;

3) при однаковій площі фундаментів потужність зони впливу змінюється зі зміною їх форми (у стрічкових фундаментів вона більша, ніж у прямокутних, а в останніх більша, ніж у квадратних або рівновеликих круглих);

4) в обводнених гірських породах потужність зони впливу більша, ніж у не обводнених унаслідок дії води, що зважує.

Додаткові напруги, що виникають у гірських породах під фундаментами будинків і споруд, викликають їх деформації і відповідно осідання. Якщо осідання споруд великі, тобто більше гранично припустимих, або нерівномірні, то вони можуть викликати порушення нормальних умов експлуатації, стійкості, деформації і руйнування.

При вивченні й оцінці геологічних умов будівництва будинків і споруд необхідно складати прогноз можливих осідань, причини і умови їх розвитку. Факт виникнення осідань споруд і їх величину треба вважати критерієм для оцінки інженерно-геологічних умов будівництва і якості гірських порід як природних основ.

Небезпеку для споруд представляють не тільки самі осідання, що досягають значень вище гранично припустимих, але і їх нерівномірність. Для більшості цивільних і промислових будинків і споруд нерівномірні осідання завжди становлять велику небезпеку. Вони відбуваються в зв'язку з:

- неоднорідністю геологічних умов по площі в межах габаритних розмірів будинку або споруд, тобто неоднорідністю нашарування й умов залягання гірських порід;

- неоднорідністю і мінливістю складу, будови, фізичного стану і властивостей гірських порід, що складають основу фундаментів;

- неоднорідністю створюваних навантажень по підошві фундаментів;

- розходженнями конструкцій окремих частин будинків і споруд, що обумовлюють застосування різних типів, розмірів і глибини закладення фундаментів, олаштування підвальних приміщень і т.д.;

- порушенням правил будівництва споруд при розташуванні нових будинків поблизу існуючих, при спорудженні прибудов до них і т.д.

Розрахунок загального кінцевого осідання будинків і споруд, що виникає внаслідок ущільнення гірських порід у зоні їх впливу, найчастіше роблять методом пошарового підсумовування. В окремих випадках крім загального кінцевого осідання практичне значення мають також осідання, що розвиваються в часі. Необхідність обліку розвитку таких осідань виникає в тих випадках: коли основою фундаментів служать слабкі водонасичені глинисті породи, що залягають суцільною товщею або у виді шарів і прошарків серед інших порід; коли водонасичені глинисті породи є заповнювачем горизонтальних чи полого нахилених тріщин.

 

Види природних основ

У природі гірські породи досить різноманітні за походженням, умовам залягання, складом, будовою, фізичним станом і властивостям. Тому і їх поводження під впливом будинків і споруд різне. У зв'язку з цим виникає необхідність інженерно-геологічної класифікації гірських порід. Ця класифікація враховує всі найважливіші геолого-петрографічні особливості гірських порід і їх фізико-механічні властивості. 

Скельні породи (магматичні, метаморфічні і міцно-зцементовані осадові) звичайно служать надійною основою для будь-яких цивільних і промислових будинків і споруд, у тому числі в районах високої сейсмічності. Модуль загальної деформації таких порід більш 100 000 кгс/см², тимчасовий опір стискові більш 500 кгс/см², коефіцієнт зрушення бетону по них досягає 0,65—0,70, а сейсмічна твердість 10—12. Осідання будинків і споруд, побудованих на скельних породах, як правило, мізерно малі, а несуча здатність їх досить висока. Деяка їх неоднорідність може бути обумовлена поширенням у них окремих тріщин або систем тріщин і неоднаковим ступенем вивітрілості на різній глибині від поверхні землі.

Напівскельні породи також звичайно є досить надійною основою для цивільних і промислових будинків і споруд. Модуль загальної деформації напівскельних ослаблених порід менше 20000 кгс/см², а менш ослаблених — від 20000 до 100000 кгс/см². Тимчасовий опір стискові в міцних змінюється від 150 до 500 кгс/см², середньої міцності — від 25 до 150 кгс/см² і в порід малої міцності він менше 25 кгс/см². Коефіцієнт зрушення бетону по цих породах змінюється від 0,3 до 0,50—0,55, сейсмічна твердість — від 2,9 - 4,7 до 10 - 12. Однак породи цієї групи можуть мати підвищену тріщинуватість або закарстованість і в той же час характеризуватися високою міцністю в зразку. При проектуванні і будівництві на них будинків і споруд це викликає необхідність дотримуватись певних обмежень і застосовувати складні інженерні заходи для забезпечення їх стійкості і нормальних умов експлуатації.

Пухкі незв'язні породи (пісок середньо-, крупно-, грубо-, різнозернистий, а також гравій, щебінь і галечник щільні і середньої щільності) звичайно є цілком задовільними основами для будинків і споруд. Модуль загальної деформації їх змінюється від 200 до 1000 кгс/см², коефіцієнт внутрішнього тертя — від 0,25 до 0,60, а сейсмічна твердість — від 0,5—2,7 до 4,0—4,8. Ці породи можуть містити прошарки і лінзи слабких глинистих порід або перешаровуватися з ними, включення великих брил і валунів скельних і напівскельних порід, що додає їм значну неоднорідність і впливає на оцінку як природних основ.

Дрібно- і тонкозернисті пилуваті водоносні піски малої щільності є слабкими і відносяться до порід особливого складу і стану. Будівництво будинків і споруд на них не регламентується «Будівельними нормами і правилами», а ведеться за індивідуальними проектами, обґрунтованими спеціальними дослідженнями.

М'які зв'язні глинисті породи малої вологості, щільні і підвищеної щільності, зі стійкою консистенцією також можуть служити цілком задовільною основою для промислових і цивільних будинків і споруд. Модуль загальної деформації їх змінюється від 100 до 800—1000 кгс/см², коефіцієнт внутрішнього тертя досягає 0,15—0,35, питоме зчеплення змінюється від 0,3—0,5 до 1,0—1,5 кге/см², а сейсмічна твердість — від 0,8—2,3 до 2,8—5,9. Однак при зволоженні вони можуть набухати або давати осідання (лесові породи). При відтаванні таких порід знижується стійкість. Крім того, глинисті породи можуть бути досить неоднорідними за складом, містити прошарки і лінзи інших, більш слабких гумусованих порід, торфу, похованих ґрунтів, перешаровуватися з ними, містити включення валунів, брил, гнізд і скупчень уламкового матеріалу.

Різновиди глинистих порід непостійної консистенції, що мають малу щільність, високу природну вологість або цілком водонасичені є слабкими. Будівництво на них здійснюється за індивідуальними проектами, обґрунтованими спеціальними дослідженнями, і не регламентується діючими «Будівельними нормами і правилами».

Інші різноманітні слабкі породи: торфовища, мул, хімічні осадові легкорозчинні (гіпси, ангідрити, кам'яна сіль), засолені піщані і глинисті, сильно льодисті, штучно насипані і намиті й ін. Будівництво на таких породах не регламентується нормативними документами, ведеться за індивідуальними проектами, обґрунтованими спеціальними дослідженнями.

Такі основні види природних основ. При проектуванні і будівництві цивільних і промислових будинків і споруд необхідно прагнути до того, щоб їх основою служили гірські породи найбільш щільні і міцні, досить однорідні по площі і на глибину зони впливу.