Универсальный фундамент Технология ТИСЭ

При проектировании фундамента застройщик сталкивается с решением двух задач: первая — выбор типа фундамента и определение его параметров (глубина заложения и размеры подошвы); вторая — подбор и расчет сечений конструктивных элементов фундамента. Для решения первой задачи следует разбираться в особенностях различных типов грунта, в разнообразных климатических и гидрогеологических условиях, в устройстве разных видов фундамента. Вторая задача связана с определением напряжений в конструкции и с оценкой деформаций от этих напряжений.

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ

Без изучения грунта–основания, на котором будет стоять будущий дом, никак не обойтись. Объективная оценка свойств грунта в различных сезонных условиях — основа для принятия правильного решения.

Для исследования грунта и для оценки гидрогеологических условий, в которых он находится, необходимо провести пробное бурение на глубину ниже границы промерзания на 0,5…0,7 м. Хотя слово "исследование" для индивидуального застройщика звучит пугающе–серьезно, особых затруднений здесь никогда не возникает.

Основная цель такого исследования — оценка. несущей способности грунта, степени его пучинистости и определение уровня грунтовых вод. Дополнительным источником информации для оценки состояния грунта может быть опыт возведения фундамента у соседей.

Если строительство начинается с устройства колодца или с бурения скважины, не пропустите этот интересный момент. Возьмите пробы грунта на глубине 1…1,5…2…2,5 м и проанализируйте их.

Обращаем внимание застройщиков на то, что залегание пластов грунта даже на небольшой площадке может быть неравномерным. Плывун или насыпной грунт, выходы скального грунта или остатки старого фундамента могут иметь неравномерный аномальный характер. Если при рытье колодца на глубине 2,5 м попался плывун, то шурфы на исследование структуры грунта обязательно следует выполнить и на самой строительной площадке. Наличие прослойки плывуна сильно скажется на выборе фундамента.

Какие же существуют грунты?

Скалистые грунты — массивные горные породы с жесткими связями между частицами грунта, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. Такие грунты имеют значительную прочность на сжатие и не промерзают. Фундамент на них можно закладывать по поверхности. Небоскребы в Нью–Йорке стоят именно на таких грунтах.

Крупнообломочные (хрящеватые) грунты — состоят из валунов, обломков камней, крупных фракций щебня и гравия в объеме более 50%, не сцементированных между собой. Они практически не сжимаются и являются надежными основаниями. При наличии в крупнообломочном грунте более 40% песчаного заполнителя или более 30% пылевато–глинистого заполнителя от общей массы сухого грунта в наименовании грунта учитывается только мелкая составляющая грунта, т. к. именно она будет определять несущую способность грунта. Подобный грунт будет пучинистым, если мелкая составляющая — глина или мелкий пылеватый песок.

Песчаные грунты — сыпучая смесь зерен кварца и других минералов (образовавшихся в результате выветривания горных пород), содержащая глины менее 3%. Песок по своему зерновому составу, по размеру фракций классифицируется на следующие виды:

— гравелистые пески — если преобладают частицы размером 0,25… 5 мм;

— крупный песок — если преобладают частицы размером 0,25…2 мм;

— песок средней крупности — если преобладают частицы размером 0,1…1 мм;

— мелкие пески — если преобладающие размеры частиц меньше 1…0,1 мм

— пылеватые пески — если в основной массе частицы крупностью 0,05…0,005 мм (табл. 1).

Чем крупнее фракции песка, тем большую нагрузку он может воспринимать.

Гравелистые, крупные и средней крупности пески значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают. Фундамент можно закладывать ленточный на глубину 0,4…0,7 м или столбчато–ленточный.

Таблица 1, Классификация грунтов по гранулометрическому составу

Песок мелкий и пылеватый имеет невысокую прочность, хорошо задерживает влагу, основание из такого песка может испытывать просадку, продолжающуюся многие годы. При высоком уровне грунтовых вод фундамент закладывают на глубину промерзания.

Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц — меньше 0,005 мм, имеющих обычно чешуйчатую форму. В отличие от песчаных грунтов, глины имеют большую поверхность частиц, вбирающих влагу.

Глинистые грунты способны сжиматься, размываться, а замерзая — вспучиваться, увеличиваясь в объеме. Степень пучения сильно зависит от влажности грунта, а следовательно, от степени её пористости. Толщина слоя неуплотненной влажной глины при промерзании может увеличиваться на 10…15%. Уплотненная глина — слабопучинистая.

В зависимости от количества песка глинистые грунты делятся на глину, суглинок и супесь (табл. 2).

Таблица 2. Классификация грунтов по содержанию пылевато–глинистых частиц

Чтобы определить процентное соотношение между глиной и песком в грунте, достаточно его образец поместить в банку с водой и тщательно взболтать до той степени, когда все частицы глины окажутся во взвешенном состоянии. После отстоя взвеси в течение некоторого времени вы увидите её расслоение (рис. 6). Песок окажется внизу, а частицы глины осядут сверху. Процентное соотношение между песком и глиной несложно оценить замером толщины слоев простой линейкой.

Рис. 6. Определение состава глины через её расслоение

Оценить тип глинистого грунта можно также на ощупь, растирая в ладони, скатывая шнур или сдавливая пальцами скатанный шарик (рис. 7) или по табл. 3.

Рис. 7. Определение состава глины через сдавливание скатанного шарика: А — глина; Б — суглинок; В — супесь

Кроме состава глинистых грунтов следует оценить их пористость и влажность, оказывающих влияние на несущую способность глины. Пористый увлажненный грунт — пластичный, с низкой несущей способностью. Плотный же грунт, в объеме которого влаги мало, способен воспринимать достаточно большие нагрузки. Этот фактор может быть использован при оценке несущей способности основания под столбчатым фундаментом, под подошвой которого грунт сильно уплотняется.

Пластичность глинистых грунтов можно оценить при разработке грунта лопатой. Если при сбросе грунт рассыпается на мелкие куски, то он твердый; если липнет к лопате, то он мягко- или текучепластичной консистенции.

Пылевато–глинистые грунты способны испытывать деформации, продолжающиеся многие годы. В этом классе грунтов следует особо выделить наносные, осадочные, илистые, просадочные и набухающие.

Наносные и осадочные грунты образовались там, где в далеком прошлом были реки, озера или моря. Этот тип грунтов, кроме грунтов лёссовых (илистых), может быть использован в качестве основания.

Таблица 3. Оценка типа глинистого грунта

Илистые грунты, возникшие как осадок микробиологических процессов и иных наслоений, весьма непредсказуемы, и их использование в качестве оснований под фундамент требует специального рассмотрения из‑за невысокой прочности.

Просадочные грунты — под действием внешних нагрузок или собственного веса дают значительную осадку (просадку). Этим свойством обладают лёссы и лёссовидные грунты. Такие грунты содержат более 50% пылевидных частиц и незначительное количество глинистых и известковых частиц. В необводненном состоянии имеют высокую пористость (до 40%) и прочность, обусловленную сильными струк–турными связями. При увлажнении структурные связи ослабевают, происходит значительная просадка с уменьшением пористости и изменением структуры грунта. На лёсс вообще нельзя ставить фундамент, т. к. при попадании влаги он размокает и превращается в жижу, полностью теряя прочность.

Набухающие грунты (пористая глина) впитывают в себя влагу и разбухают, а при замерзании еще более увеличиваются в объеме. При снижении влажности их объем уменьшается. Примерами подобных грунтов могут служить такыры — фрагменты поверхности пустыни, придающие ей изрезанную трещинами структуру. Основания, сложенные такими грунтами, рассчитывают по специальной методике, а сами фундаменты выполняются с определенными конструктивными особенностями.

Торфянистые грунты и пылеватые пески во влажном состоянии превращаются в плывун. Для создания основания под фундамент используют различные приемы. Например, грунт вынимают на глубину пористого слоя и закладывают дренирующие подушки из крупного песка, гравия высотой 0,5….1 м, а на них уже опирают фундамент. Иногда применяют сваи, погружая их в твердый подстилающий слой грунта. Существуют и иные методы создания основания на подобных грунтах.

Насыпные грунты возникают в результате перемещения почвы или на месте бывших построек. Слежавшиеся в течение более 3–х лет грунты, особенно пески, перемешанные со щебнем, гравием и другими включениями (кроме древесных отходов и бытового мусора) могут служить основанием под фундамент без специальной подготовки. Грунты, насыпанные менее чем 3 года назад, следует пролить водой, уплотнить, втрамбовывая в них камень или щебень. Насыпные грунты имеют большую степень неоднородности. Наличие в грунте различных органических и неорганических материалов существенно усложняет использование насыпного грунта в качестве основания. Это следует учитывать и при подготовке основания и при выборе той или иной конструкции фундамента.

Вечномерзлые грунты занимают большие площади северных территорий России. Вечномерзлые грунты характеризуются наличием в порах воды, которая находится в замерзшем состоянии. Прогрев почвы вызывает его оттаивание, приводящее к разупрочнению и осадке грунта. Фундамент на них сооружают, как на лёссовых и торфяных грунтах, например, в виде набивных свай, с защитой грунта от его прогрева и оттаивания. Подобные сваи, вмороженные в грунт, способны выдерживать большие нагрузки.

Засоленные грунты включают солевые фракции. При длительной фильтрации воды в результате выщелачивания солевые фракции уходят, уменьшая объем грунта и вызывая его просадку. Кроме того, возникшая химически агрессивная среда может оказать вредное влияние на подземные конструкции, сооружения, вызвать химическое разрушение бетонных конструкций.

1.2. ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности земли постоянного водоносного горизонта. Они образуются за счет насыщения атмосферными осадками, водами рек и озер, притоком поверхностных вод. Из всех видов грунтовых вод особое место занимает так называемая "верховодка" — сезонное скопление вод в верхнем водонасыщенном слое грунта над водоупорными глинистыми или суглинистыми породами (рис. 8).

Рис. 8. Схема грунтовых вод: 1 — водонасыщенный слой; 2 — водонепроницаемый грунт; 3 — водонесущий слой; 4 — осадки

Уровень грунтовых вод определяется весной, когда он наиболее высокий, когда таяние снега, выпадавшего всю зиму, происходит очень интенсивно. Высокий уровень грунтовых вод может возникнуть и осенью, во время затяжных дождей. Уровень грунтовых вод определяется замером расстояния от поверхности грунта до зеркала воды в ближайших колодцах или в скважинах.

В отличие от верховодки, в толще грунта, значительно глубже, существуют водоносные слои (межпластовые воды), до которых доходят при рытье колодцев. Водоносные слои располагаются между непроницаемыми пластами, и при бурении скважины на воду их может быть несколько. Те, кто занимается водоснабжением участков, знают, что качество и состав воды, а также мощность водоносных слоев на разных глубинах могут сильно отличаться друг от друга. В отдельных случаях, когда подпор воды в водоносных слоях большой, то на поверхность она выходит в виде ключей, питающих верхний водонасыщенный слой грунта.

Те, кто занимается строительством, в большей степени интересуются именно верховодкой. Высокий уровень грунтовых вод — весьма нежелательная характеристика грунта. Это ограничивает возможности застройщиков в выборе фундамента, в принятии решения о наличии подвала или цокольного этажа, в назначении сроков начала строительства. Устройство погреба и септика канализационной системы также напрямую связаны с уровнем грунтовых вод.

Дорожная распутица — извечная проблема российских дорог — в большей степени также обязана верховодке.

Высокий уровень грунтовых вод мешает и обустройству участка, его озеленению. Грядки приходится поднимать, фруктовые деревья — высаживать на возвышении.

Высокий уровень грунтовых вод мешает строительству и эксплуатации сооружений. Если подошва фундамента находится ниже уровня грунтовых вод, то в процессе выемки грунта он начинает размываться, теряя свою несущую способность. При высоком уровне грунтовых вод кессоны погребов или подвалов загружаются силами гидростатического давления, и весьма значительными. От этих сил стенки и под кессонов могут разрушиться, потеряв свою герметичность. Кроме того, если вода в грунте стоит высоко, то Архимедовы выталкивающие силы могут поднять герметичный кессон погреба, особенно, если он легкий.

Как возникают грунтовые воды, какова геология (гидрогеология) их появления?

Об осадках, о появлении воды в грунте всем всё ясно и понятно. Но как возникает расслоение глинистого грунта? Главный зодчий такого процесса — пучение грунта. Верхние увлажненные слои глинистого грунта (выше границы промерзания) в процессе промерзания увеличиваются в объеме до 10%. Весной этот слой оттаивает, становясь пористым. Грунт ниже границы промерзания уплотняется десятки и сотни лет весьма сильно, становясь водонепроницаемым. Неравномерность промерзания грунта значительно усиливает уплотнение грунта (см. раздел "Динамика пучинистых явлений"). Именно поэтому возникли водоупорный и водонасыщенный слои и сама верховодка.

Ближе к лету верховодка уходит или через структуру грунта — вниз, сквозь водоупорный слой, либо — по уклону водоупорного слоя. Часть влаги поднимается и уходит через растительный слой, испаряясь и насыщая растительность влагой. В тех местах, где грунтовые воды залегают неглубоко, как правило, зеленая растительность бывает сочнее и ярче, чем в других местах. Строители, стремящиеся начать строительство как можно раньше, пытаются побыстрее освободить грунт от верховодки. В отличие от строителей, хлеборобы, заинтересованные в том, чтобы верховодка как можно дольше сохранялась в верхнем водонасыщенном слое, делают снегозадержание, собирая снег в высокие гряды, которые тают значительно дольше, чем ровный снеговой наст.

Если грунт песчаный, то проблем с верховодкой не возникнет — её просто не существует. Другое дело, если дом строится на низком берегу реки или водохранилища. Тогда и песчаный грунт не поможет. Вам придется считаться с законом сообщающихся сосудов, который создаст под домом уровень грунтовых вод, соответствующий уровню водоема.

Как бороться с высоким уровнем грунтовых вод, как увести их подальше от своего участка и дома?

Дренаж, дренаж и еще раз — дренаж

Да, только дренаж может спасти наш участок от верховодки. Существует несколько способов его устройства, зависящих от геологии и рельефа местности, а также от тех задач, которые стоят перед застройщиком (дренаж постоянный или на время строительства).

Дренажная система, как правило, закладывается уже при централизованном обустройстве участков застройки. Она выполняется одновременно с укладкой дорожного полотна. Традиционная централизованная дренажная система сел, деревень и дачных поселков включает кюветы, проложенные вдоль дорог, и связанные с ними дренажные канавы, проходящие по границам участков (рис. 9).

Рис. 9. Выход дренажа с участка в дорожный кювет: 1 — дорожное полотно; 2 — кювет; 3 — дренаж участка

Организация подобной дренажной системы тщательно прорабатывается и привязывается к рельефу местности. Скрупулезно выполненная топография места застройки даст возможность создать эффективную дренажную систему, что особенно важно при застройке на равнинной местности. Следует заметить, что основные дренажные каналы стараются ориентировать поперек склона, чтобы лучше перехватывать естественный сток осадков или паводковых вод. Если эти каналы ориентировать вдоль склонов, то со временем от летних ливней и весеннего снеготаяния они превратятся в промоину, а потом — и в овраг, да и отвод верховодки с участков не будет столь эффективным.

При прокладке дренажа необходимо обеспечить уклон в сторону понижения не более чем 1:2000 (на 10 м — 5 см). В придорожный кювет выход дренажной системы с участка должен быть выше не менее чем на 15 см от дна траншеи. Там, где ширина дороги не позволяет располагать кювет, приходится водосток загонять в дренажную трубу. Диаметр придорожных дренажных труб должен быть не менее 20 см.

Через 20…25 м подобная закрытая дренажная система должна иметь смотровые колодцы, через которые можно выполнять профилактическую чистку дренажа.

Дренажная система непосредственно на участке выполняется силами застройщика. Она сводится к созданию дренажных каналов (дрены), собирающих верховодку участка и направляющих её в придорожные кюветы. Конструктивно дрены выполняют в виде водоотводов открытого типа (траншеи, лотки) (рис. 10, а, б) или закрытого типа (трубы, связки прутьев, гравийно–песчаный фильтр) (рис. 10, в, г, д).

Рис. 10. Дренажные каналы участка: А — канава; Б — желоб; В — труба; Г — ветки; Д — щебень; 1 — труба с пропилами или отверстиями; 2 — щебень; 3 — гидроизоляция; 4 — песок; 5 — связка веток и сучьев; 6 — жесткие строительные отходы; 7 — желоб; 8 — дерн

Устройство открытых дрен проще, их легче эксплуатировать, но они мешают при обустройстве участка, сокращают полезную площадь земли. Тем не менее, это наиболее распространенный вариант дренажа. Глубина дрен определяется топографией участка и согласуется с глубиной придорожного кювета. Для создания необходимого уклона дренажные каналы можно выполнить с применением гидроуровня (резиновый шланг с водой и с прозрачными трубочками на концах). Рытье траншей на участке начинают от придорожного кювета, вверх по уклону. Если эту работу проводить в обратном направлении, то присутствие воды в траншеях будет сильной помехой. Дно каналов, чтобы их не размывало, желательно проложить лепешками жирной глины и внедрить в неё щебень или гравий. На строительном рынке для этой цели реализуются готовые желоба, выполненные из бетона или пластика, которые сверху могут быть закрыты специальной решеткой.

Дрены закрытого типа незаметны на участке, но срок их службы ограничен: они относительно быстро заиливаются. В качестве элементов закрытой дренажной системы можно использовать различные материалы, уложенные в щебень или крупный песок:

— асбоцементные трубы 10…15 см в диаметре, у которых снизу сверлят отверстия диаметром 10… 15 мм (на метр длины — 20 отверстий), или делают пазы шириной около 7…10 мм на треть окружности с шагом 10…15 см;

— ветки, прутья и сучья без листвы, уложенные в траншею слоем в 30…40 см;

— жесткие строительные отходы (штукатурка, кирпичный бой, остатки раствора). Чтобы заиливание дренирующих элементов происходило не так быстро, сверху и сбоку их отделяют от грунта прочной гидроизоляцией (толь, рубероид, отслуживший линолеум…). Гидроизоляцию прижимают слоем песка, на который укладывают дерн. В настоящее время на строительном рынке появились пластиковые трубы из ПВХ диаметром 50… 120 мм специально для устройства дренажа. Они выполнены гофрированными и поставляются в бухтах. Снаружи эти трубы могут иметь оболочку из нетканого водопроницаемого материала.

Отвод дренируемой воды с участка может выполняться не только в кювет, но и в овраг, в искусственный или естественный водоём или в колодец. Если на участке создается водосборный бассейн, то в некоторых случаях, при удачной геологии места, под водоупорным слоем может оказаться водонесущий слой, куда можно отводить верховодку. Для этой цели на участке устраивают колодец или бурят скважины диаметром 25…30 см до этого водоносного слоя и засыпают их щебнем (рис. 11, а). Расстояние между скважинами — около 15…20 м. Как правило, подобные удачные участки находятся на некотором возвышении.

Если же участок находится во впадине, то возможно, что из пробуренной скважины ударит ключ, и воды на участке только прибавится (рис. 11,6). Тогда скважину придется тщательно забить жирной глиной и больше о таком способе понижения грунтовых вод не думать.

Рис. 11. Варианты связи верховодки с водонесущим слоем: А — дренаж; Б — ключ; 1 — водонасыщенный слой; 2 — водоупорный слой; 3 — водонесущий слой; 4 — скважина; 5 — водяной поток

Эх. дороги…

Коснувшись верховодки, нельзя не упомянуть о дорогах, на которые она воздействует весьма агрессивно.

Устройство дороги на глинистой или суглинистой почве приходится выполнять с оглядкой на грунтовые воды. Если грунт песчаный, то его только выравнивают и утрамбовывают. В остальных случаях проводят специальную подготовку. Чтобы вода не задерживалась на грунте, дорожкам и дорогам придают выпуклую форму или уклон в 2…3%. По обе стороны дороги роют кюветы–каналы с уклоном в сторону водоотвода. Располагают кюветы на расстоянии 40…50 см от дорог, их глубина — не менее 70 см от планируемого уровня полотна дороги.

Подготовка дорожек предполагает укладку и уплотнение грунта, извлеченного при рытье кюветов. Глинистый слой на дороге должен быть уложен с уклонами в сторону кюветов. Это требуется для того, чтобы дождевая вода, просочившись сквозь песок и щебень дорожного полотна, не застаивалась на глине, уменьшая её прочность, а уходила бы в кювет. После этого насыпают слой крупного гравия или щебня толщиной 7… 10 см, трамбуют и насыпают слой более мелкого гравия или щебня толщиной около 5…7 см, трамбуют его, а на него — слой песка толщиной 2…5 см, который также трамбуют.

Следует заметить, что если при весенней или осенней распутице по дороге проедет тяжелая машина, то она через слои гравия и песка продавит увлажненную глину. После этого в глинистом слое дороги образуется яма, которая даже после засыпки её щебнем не исчезнет. От дождей в ней всегда будет стоять лужа, которая всё время будет провоцировать продавливание дороги в этом месте. Со временем дорога может превратиться в классическое бездорожье. К такому же результату придет дорога, если кювет будет слабо справляться со своими дренирующими функциями, если он обмельчает или будет засорен, отчего уровень грунтовых вод поднимется и несущая способность дорожной глины также упадет.

Исходя из последнего замечания, можно предложить и технологию ремонта: выбрать до глины подсыпку, углубить кюветы (глиной заполнить яму) и восстановить щебеночные и песчаные слои дороги, но с меньшей толщиной (рис. 12).

Рис. 12. Состояние дороги: А — начало эксплуатации; Б — через 50 лет; В — после восстановления; 1 — песок + щебнь; 2 — кювет; 3 — начальный уровень дорожного полотна; 4 — уровень грунтовых вод; 5 — песок + щебень+ глина

На российском рынке стройматериалов появился нетканый материал из спрессованных пенопропиленовых волокон (геотекстиль), который эффективно работает как разделитель слоев дорожной подготовки. Этот рулонный материал укладывается на грунт, под щебеночный слой. Его высокая прочность и стойкость к различным климатическим крайностям существенно продлевают срок службы дорожного покрытия.

1.3. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТА

Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параметрами, характеризующими сам фундамент и грунт–основание под ним (рис. 13, а).

Рис. 13. Схема фундамента и основания: А — без подсыпки грунта; Б — с подсыпкой грунта; 1 — фундамент; 2 — граница промерзания грунта; 3 — уровень грунтовых вод; 4 — сжимаемая толща грунта; 5 — насыпной грунт

Фундамент — это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.

Глубина заложения фундамента (Нf) — расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.

Подстилающий слой грунта (основание) — слой грунта, на который опирается подошва фундамента.

Расчетная глубина промерзания (hi) — положение границы промерзания относительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нормативными документами (нормами СНиП).

Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими условиями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажного глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерзания меняется в широком диапазоне (рис. 14).

Рис. 14. Карта расчетной глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов части Российской Федерации.

Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:

70 см — Краснодар, Калининград, Львов.

90 см — Ростов–на–Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.

100 см — Таллинн, Харьков, Вильнюс.

120 см — Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.

140 см — Воронеж, Тверь, Санкт–Петербург, Москва, Новгород.

150 см — Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.

170 см — Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.

180 см — Уфа, Караганда, Актюбинск.

190 см — Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.

210 см — Тобольск, Кустанай, Барнаул.

220 см — Омск, Новосибирск.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.

Уровень грунтовых вод (hw) — положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).

Сжимаемая толща грунта — деформируемая часть грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стоимость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.

Проектирование фундамента связано не только с выбором его конструкции и глубины заложения, но и с определением его геометрических параметров, главным из которых является площадь подошвы фундамента. Именно этот параметр окажет решающее влияние на "поведение" строения в процессе его эксплуатации. Недостаточная площадь опоры приведет к недопустимой просадке сооружения, а неравномерность просадки под ним — к разрушению возведенного строения. Излишне большая площадь подошвы напрямую ведет к увеличению расхода материалов и затрат, расходуемых на возведение фундамента.

Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через проведение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выполнение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возможность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.

Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)

Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта–основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.

Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 15), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.

Рис. 15. График зависимости осадки фундамента от нагрузки

На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформационно–напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся перемещением и уплотнением грунта (рис. 16):

OA — фаза упругих деформаций (рис. 16, а);

АБ — фаза уплотнения и местных сдвигов (рис. 16, б);

БВ — фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (рис. 16, в);

ВГ — фаза выпора (рис. 16, г);

ГД — фаза преобладающего бокового уплотнения (рис. 16, д).

Рис. 16. Схема развития деформаций и перемещений грунта: А — фаза упругих деформаций; Б — фаза уплотнения и местных сдвигов; В — фаза развития сдвигов и начало бокового уплотнения; Г — фаза выпора; Д — фаза преобладающего бокового уплотнения; 1 — нагрузка; 2 — фундамент; 3 — зона упругих деформаций; 4 — зона сдвиговых деформаций; 5 — выпор грунта; 6 — ядро уплотненного грунта; 7 — зона бокового уплотнения

Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в условиях строительства — OA, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответствует своя фаза деформаций:

OA — для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;

АБ — ленточный мелкозаглубленный фундамент;

АБ (конец) и БВ — столбчатый фундамент.

Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при создании свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (забивные сваи).

При возведении столбчато–ленточного фундамента по технологии ТИСЭ уровень напряжений в основании достаточно высок: задействуются вторая половина фазы АБ, фаза БВ и даже ВГ. Работа основания в широком диапазоне упругих деформаций обеспечивает "мягкое" восприятие нагрузки от веса возведенного строения.

Расчет оснований по несущей способности (для фаз OA, АБ, начало БВ) выполняют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:

S>γ_nF/γ_cR_o, где

S — площадь подошвы фундамента (см²);

F — расчетная нагрузка на основание (общий вес дома, в том числе фундамент, полезная нагрузка, снеговой покров…) (кг);

γ_n = 1,2 — коэффициент надежности;

γ_c — коэффициент условий работы имеет следующие величины:

1.0 — глина пластичная, сооружение жесткой конструкции (каменные стены);

1.1 — глина пластичная, сооружения нежесткой конструкции (деревянные или каркасные стены) и жесткой конструкции длинные, с соотношением длины к высоте больше 4;

1.2 — глина слабопластичная, пески пылеватые маловлажные, строения нежесткие и жесткие короткие с соотношением длины к высоте меньше 1,5;

1.2 — крупный песок, строения жесткие длинные;

1.3 — пески мелкие, сооружения любой жесткости;

1.4 — крупный песок, сооружения нежесткие и жесткие длинные;

R_o — условное расчетное сопротивление грунта основания для фундаментов

с глубиной заложения 1,5…2 м (определяется по таблицам 4…8).

Таблица 4. Расчетные сопротивления R_o крупнообломочных грунтов

Таблица 5. Расчетные сопротивления R_Q песчаных грунтов

Таблица 6. Расчетные сопротивления R_Q непросадочных глинистых грунтов

Расчетное сопротивление глинистых грунтов и его влажность существенно зависят от пористости грунта ε (отношение объема пор к объему твердых частиц). Для новичка в строительстве этот показатель оценить в реальных условиях достаточно сложно, т. к. извлеченный грунт в свободном состоянии уже не обладает теми показателями, какие он имел на глубине, находясь под давлением.

Автором предложено связать пористость, а следовательно, и несущую способность грунта с глубиной его заложения в зависимости от того, по какую сторону границы промерзания находится подошва фундамента.

Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется. В процессе своего существования пучинистый грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотняется до состояния "дальше некуда". Ничто не меняет это состояние в течение многих и многих десятков и сотен лет. В то же время грунт, находящийся выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании увеличивается в объеме. Влага, находящаяся в порах, увеличивает объем этих пор на 10%. Таким образом, грунт, находящийся выше границы промерзания, ежегодно "встряхивается", становясь пористым. Глинистый грунт, находящийся ниже глубины промерзания, обладает минимальной (ε = 0,3) пористостью и максимальной прочностью.

Просадочные глинистые грунты в сухом состоянии имеют повышенную пористость и вместе с тем обладают высокой механической прочностью, обусловленной сильными структурными связями (табл. 7).

Таблица 7. Расчетные сопротивления R_Q просадочных глинистых грунтов природного сложения

Таблица 8. Расчетные сопротивления R_Q насыпных грунтов

После механического уплотнения просадочных грунтов природного сложения (трамбование) происходит разрушение жесткого каркаса и потеря прочности:

— прочность сухой супеси — 2,0…2,5 кг/см²;

— прочность сухого суглинка — 2,5…3,0 кг/см².

Большему значению расчетного сопротивления насыпных грунтов соответствуют крупные, средние и мелкие пески, шлаки…

Меньшему значению — пески пылеватые, супеси, суглинки, глины и золы.

Влияние сейсмичности на несущую способность грунта

Задаваясь той или иной величиной расчетного сопротивления грунта, следует учитывать, что при одновременном воздействии статической нагрузки и вибраций прочность грунта снижается. Грунт, как говорят специалисты, приобретает свойства псевдожидкого состояния.

Индивидуальные застройщики, решившие возводить сейсмостойкий фундамент своими силами, должны учитывать уменьшение несущей способности грунта при сейсмических вибрациях. Ориентировочно табличную величину расчетного сопротивления грунта необходимо уменьшить в 1,5 раза, т. е увеличить площадь подошвы фундамента тоже в 1,5 раза.

Расчетное сопротивление грунта на разной глубине

Величины расчетного сопротивления грунтов (R_o), приведенные в таблицах 4..8 даны для глубины заложения фундамента 1,5…2 м.

Если глубина заложения фундамента меньше чем 1.5 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = 0,005R_o(100 +h/3), где

h — глубина заложения фундамента в см.

Пример 1.

Глинистый грунт на глубине 0,5 м при Ro=4 кг/см² будет иметь расчетное сопротивление грунта Rh = 2,33 кг/см².

Если глубина заложения фундамента больше чем 2 м. то расчетное сопротивление грунта (Rh) определяется по формуле:

Rh = R_o + kg*(h — 200), где

h — глубина заложения фундамента в см,

g — вес столба грунта, расположенного выше глубины заложения фундамента (кг/см²);

к — коэффициент грунта (для песка — 0,25; для супеси и суглинка — 0,20; для глины — 0,15).

Пример 2.

Глинистый грунт на глубине 3 м при Ro=4 кг/см² будет иметь расчетное сопротивление Rh = 10,3 кг/см². Удельный вес глины — 1,4 кг/см², а вес столба глины высотой 300 см — 0,42 кг/см².

Максимальные величины расчетного сопротивления грунтов

Для того чтобы глубже понять работу оснований, полезно было бы узнать максимальные величины расчетного сопротивления грунтов, которые встречаются в реальной жизни. Такие экстремальные параметры грунта могут возникнуть только при максимальном его уплотнении, например, под нижним концом забивных свай.

Значения расчетного сопротивления сильно уплотненных грунтов Ro (пески гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые, пылевато–глинистые грунты) зависят от глубины погружения нижнего конца свай [3]:

— на глубине 3 м увеличение — в 10 раз;

— на глубине 20 м увеличение — в 15 раз;

— на глубине 35 м увеличение — в 20 раз.

Такое внушительное увеличение несущей способности грунта связано с уплотнение грунта не только непосредственно под сваей, но и вокруг неё (рис. 16, д).

Эти данные приведены не для того, чтобы их напрямую использовать при расчете фундамента, т. к. такое значительное увеличение расчетного сопротивления грунтов связано с их сильным уплотнением и значительными деформациями основания. Но вместе с тем, это дает застройщику определенную уверенность в том, что созданный им фундамент выдержит вес задуманного сооружения: грунт не подведет. Главное в этом — сделать грамотно все остальное: фундамент и стены.

Расчет фундамента по допустимым деформациям сооружения

Целью расчета фундамента по этой методике является оценка соответствия действующего и допустимого уровней деформаций сооружения от воздействия эксплуатационных нагрузок.

В гибких и жестких конструкциях неравномерность осадки вызывает деформации строений или ведет к изменению их положения (рис. 17), что может вызвать ухудшение условий эксплуатации здания или его оборудования. Кроме этого, при больших деформациях конструкция сооружения может испытывать закритические напряжения, ведущие к его разрушению.

Рис. 17. Формы деформаций сооружений: А — прогиб; Б — выгиб; В — сдвиг; Г — крен; Д — перекос; Е — горизонтальное смещение

Правильно спроектированный фундамент предполагает осадки и деформации строения, но величина их не должна превышать строительные нормы, гарантирующие полноценную эксплуатацию здания.

Виды деформаций сооружений.

Прогиб и выгиб (рис. 17, а, б) зданий возникает из‑за неравномерной осадки основания. Наиболее опасная растянутая зона строений при прогибе находится у фундамента, при выгибе — у кровли.

Сдвиг (рис. 17, в) зданий возникает при увеличенной просадке основания с одной из сторон. Наиболее опасная зона строения — стена в средней зоне, где возникает большой сдвиг.

Крен (рис. 17, г) здания возникает при относительно большой его высоте (многоэтажный дом, башня, дымовая труба…), при высокой изгибной жесткости строения. Опасен дальнейший рост крена и последующее разрушение здания.

Перекос (рис. 17, д) возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения.

Горизонтальное смещение (рис. 17, е) возникает в фундаментах, в стенах подвалов или в подпорных стенках, загруженных горизонтальными усилиями.

Допускаемая величина осадки и крена сооружений

Допускаемая величина осадки, неравномерности в осадке и крена зависят от типа здания, его силовой схемы и используемых материалов.

Величина допустимых деформаций приведена в таблице 9.

Таблица 9. Предельные деформации оснований

Относительная неравномерность осадки (σ/L) — максимальное отношение разности в осадке двух участков фундамента к расстоянию между этими участками. По–другому: относительный прогиб (выгиб) характеризуется отношением стрелы прогиба к длине изгибаемого участка.

Из таблицы видно, что допустимые неравномерности в осадке дома тем больше, чем менее жесткий дом. Каркасные или деревянные дома допускают относительно большую неравномерность в осадке фундамента. Каменные, более жесткие дома, — нет.

Пример

Кирпичный двухэтажный дом просел в середине на 1 см (рис. 17, а). Расстояние по длине фундамента между точками замера — 600 см (длина дома — 12 м). Относительная неравномерность осадки — 1/600=0,0017. Допустимая неравномерность осадки для такого дома — 0,002. Поэтому осадка в 1 см для такого дома допускается.

Причины неравномерных осадок:

— неоднородность основания, сложенного из пластов различной толщины или плотности;

— переувлажнение какой‑либо части основания или сложение части основания из насыпного грунта;

— неравномерное давление на основание, вызванное несоответствием площади подошвы с действующей вертикальной нагрузкой (давление на фундамент в средней части здания больше, чем под внешними стенами, т. к. на внутреннюю стену опираются перекрытия с двух сторон);

— неодновременное возведение отдельных частей здания;

— механическая суффозия — перемещение водяными потоками частиц грунта — ведет к увеличению пористости и к уменьшению прочности грунта;

— наличие в толще грунта материалов, подверженных гниению (корни деревьев, отходы древесины…);

— воздействие механизмов — удаление лишнего грунта при рытье котлованов и траншей под фундамент — наиболее распространенная ошибка строителей, т. к. уложенная выравнивающая подсыпка под фундаментом не обладает прочностью нетронутого грунта;

— уплотнение грунта в процессе эксплуатации сооружения, связанное со значительным увеличением веса (складские помещения, элеваторы….);

— изменение уровня подземных вод (грунтовых или производственных);

— подземные выработки (рытье туннелей метро, канализационных коллекторов и др.);

— разрушение подземных магистралей систем водоснабжения, отопления, канализации и отвода дождевой воды часто приводит к вымыванию большого объема грунта из‑под строений.

Рис. 18. Образование полостей в толще грунта из‑за разрушения трубопровода системы центрального отопления и из‑за разрушенной отмостки

Рис. 19. Появление трещины при местном переувлажнении грунта: 1 — опора; 2 — песчаная подсыпка; 3 — ростверк; 4 — стена; 5 — трещина; 6 — переувлажненный грунт

Основная ошибка строителей заключалась в том, что песчаная подсыпка, играющая роль нижней части опалубки, из‑под ленты своевременно не была удалена. По сути стены возводили на ленточном незаглубленном фундаменте, которым являлся ростверк.

Перед тем, как возникла трещина, в этом месте стены был брошен шланг, из которого постоянно текла вода, используемая при возведении стен. От переизбытка влаги несущая способность верхних слоев грунта в этом месте снизилась. Тонкая лента проармированного ростверка просела, не треснув. Бетонный массив в нижней части стены, испытывающий растяжение, лопнул, отчего и появилась эта трещина.

Правильная последовательность удаления песчаной подсыпки из‑под ростверка всего дома и горизонтальное армирование стен позволили решить эту проблему. После нанесения шпаклевки эта трещина больше не проявлялась.

Причиной возникновения подобных трещин в стене часто становится разрушенная система ливнеотвода. Толстый слой снега на крыше и массивные сосульки становятся причиной поломки желобов и стояков системы. Если у хозяина руки не доходят до их восстановления, то после сильных дождей земля вокруг дома неравномерно увлажняется, как в предыдущем примере, что вызывает неравномерную осадку незаглубленного или мелкозаглубленного фундамента. В стенах возникают трещины, здание приходит в аварийное состояние, выйти из которого достаточно сложно.

Мероприятия по устранению неравномерных осадок

Устранение неравномерности осадки фундамента сводится к определенным конструктивным проработкам и к проведению некоторых профилактических мероприятий:

— выбор площади подошвы фундамента, отвечающей величине предполагаемых нагружений;

— рациональная компоновка зданий и сооружений, обеспечивающая более равномерную передачу нагрузки от веса здания на основание;

— уменьшение чувствительности здания через увеличение его изгибной жесткости, если оно короткое, и через уменьшение изгибной жесткости здания, если оно длинное;

— горизонтальное армирование стен и устройство сейсмопоясов;

— устройство деформационных или осадочных швов между секциями сооружения;

— устройство компенсирующего фундамента (столбчато–ленточный фундамент по технологии ТИСЭ);

— придание сооружению или отдельным его частям строительного подъема, соответствующего величине прогнозируемой осадки;

— проработка систем отвода ливневых осадков, систем водоснабжения и канализации с профилактическими мероприятиями по их обслуживанию, не допускающими неравномерного увлажнения грунта и возникновения подземных потоков.

Рис. 20. Этапы возведения здания с уменьшенной изгибной жесткостью: А — возведение первой каменной секции; Б — возведение второй каменной секции; В — соединение каменных секций балками и стропилами; Г — дом построен

1.4. ПОДГОТОВКА ОСНОВАНИЙ

1.5. ДИНАМИКА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Пучинистые явления — коварные и бесцеремонные. процессы, возникающие во влажных глинистых, мелкопесчаных и пылеватых грунтах при их сезонном промерзании. Не учитывать их нельзя, что понятно любому, даже слабо разбирающемуся в строительстве застройщику. Многие это поняли, обнаружив по весне трещину в кирпичной стене загородного дома, увидев перекошенные дверные и оконные проемы каркасной дачной постройки, заметив опасно накренившийся забор.

Пучинистые явления — это не только большие деформации грунта, но и огромные усилия — в десятки тонн, способные привести к большим разрушениям.

Сложность в оценке воздействия пучинистых явлений грунта на постройки — в некоторой их непредсказуемости, обусловленной одновременным воздействием нескольких процессов. Чтобы лучше разобраться в этом, опишем некоторые понятия, связанные с этим явлением.

Морозное пучение, так называют это явление специалисты, связано с тем, что в процессе замерзания влажный грунт увеличивается в объеме.

Происходит это из‑за того, что вода увеличивается в объеме при замерзании на 12% (отчего лед и плавает по воде). Поэтому, чем больше воды в грунте, тем он более пучинистый. Так, подмосковный лес, стоящий на сильно пучинистых грунтах, зимой поднимается на 5…10 см относительно летнего своего уровня. Внешне это незаметно. Но если в грунт забита свая более чем на 3 м, то подъем грунта зимой можно отследить по отметкам, сделанным на этой свае. Подъем грунта в лесу мог бы быть в 1,5 раза больше, если бы в нем не было снегового покрова, прикрывающего грунт от промерзания.

Степень пучинистости грунта

Грунты по степени пучинистости делятся на:

— сильнопучинистые — пучение 12%;

— среднепучинистые — пучение 8%;

— слабопучинистые — пучение 4%.

При глубине промерзания 1,5 м сильнопучинистого грунта составляет 18 см.

Пучинистость грунта определяется его составом, пористостью, а также уровнем грунтовых вод (УГВ). Так и глинистые грунты, мелкие и пылеватые пески относятся к пучинистым грунтам, а крупнозернистые песчаные и гравийные грунты — к непучинистым.

Рассмотрим, с чем это связано.

Во–первых.

В глинах или мелких песках влага, как по промокашке, достаточно высоко поднимается от УГВ за счет капиллярного эффекта и хорошо удерживается в таком грунте. Здесь проявляются силы смачивания между водой и поверхностью пылевых частиц. В крупнозернистых же песках влага не поднимается, и грунт становится влажным только по уровню грунтовых вод. То есть чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, тем логичнее отнести его к более пучинистым грунтам.

Поднятие воды может достигать:

— 4…5 м в суглинках;

— 1…1,5 м в супесях;

— 0,5…1 м в пылеватых песках.

В связи с этим степень пучинистости грунта зависит как от своего зернового состава, так и от уровня грунтовых или паводковых вод.

Слабопучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,5 м — в пылеватых песках;

— на 1 м — в супесях;

— на 1,5 м — в суглинках;

— на 2 м — в глинах.

Среднепучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,5 м — в супесях;

— на 1 м — в суглинках;

— на 1,5 м — в глинах.

Сильнопучинистый грунт — когда УГВ расположен ниже расчетной глубины промерзания:

— на 0,3 м — в супесях;

— на 0,7 м — в суглинках;

— на 1,0 м — в глинах.

Чрезмернопучинистый грунт — если УГВ будет выше, чем для сильнопучинистых грунтов.

Обращаем внимание на то, что смеси крупного песка или гравия с пылеватым песком или глиной будут относиться к пучинистым грунтам в полной мере. При наличии в крупнообломочном грунте более 30% пылевато–глинистой составляющей, грунт также будет относиться к пучинистому.

Во–вторых.

Процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет, хватит ли степени фильтрации грунта, чтобы этот процесс прошел с пучением или без него. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (рис. 23).

Рис. 23. Грунт на границе промерзания: 1 — песок; 2 — лед; 3 — граница промерзания; 4 — вода

Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться скважина в глине, поведет себя как пучинистый (рис. 24).

Рис. 24. Песок в замкнутом объеме — пучинистый: 1 — глина; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — граница промерзания; 4 — песок + вода; 5 — лед + песок; 6 — песок

Именно поэтому траншею под мелкозаглубленными фундаментами заполняют крупнозернистым песком, позволяющим выровнять степень влажности по всему его периметру, сгладить неравномерность пучинистых явлений. Траншею с песком, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку из‑под фундамента.

В–третьих.

Наличие давления от веса строения также сказывается на проявлении пучинистых явлений. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то и степень пучинистости его уменьшится. Причем, чем больше будет само давление на единицу площади основания, тем больше будет объем уплотненного грунта под подошвой фундамента и меньше величина пучения.

Пример

В Подмосковье (глубина промерзания 1,4 м) на среднепучинистам грунте на мелкозаглубленном ленточном фундаменте с глубиной заложения 0,7 м возведен относительно легкий брусовой дом. При полном промерзании грунта внешние стены дома могут подняться почти на 6 см (рис. 25, а). Если же фундамент под тем же домом с той же глубиной заложения выполнен столбчатым, то давление на грунт будет больше, его уплотнение будет сильнее, отчего подъем стен от промерзания грунта не превысит 2…3 см (рис. 25, б).

Рис. 25. Степень пучинистости грунта зависит от давления на основание: А — под ленточным фундаментом; Б — под столбчатым фундаментом; 1 — песчаная подушка; 2 — граница промерзания; 3 — уплотненнный грунт; 4 — ленточный фундамент; 5 — столбчатый фундамент

Сильное уплотнение пучинистого грунта под ленточным мелкозаглубленным фундаментом может возникнуть, если на нем будет возведен каменный дом высотой не меньше чем в три этажа. В этом случае можно говорить о том, что пучинистые явления будут просто задавлены весом дома. Но и в этом случае они всё же останутся и могут вызвать появление трещин в стенах. Поэтому каменные стены дома на подобном фундаменте следует возводить с обязательным горизонтальным армированием.

Чем же опасны пучинистые грунты? Какие процессы, пугающие застройщиков своей непредсказуемостью, проходят в них?

Какова природа этих явлений, как с ними бороться, как их избежать, можно понять, изучив саму природу проходящих процессов.

Главная причина коварства пучинистых грунтов — неравномерное пучение под одним строением

Глубина промерзания грунта — это не расчетная глубина промерзания и не глубина заложения фундамента, это — реальная глубина промерзания в конкретном месте, в конкретное время и при конкретных погодных условиях.

Как уже отмечалось, глубина промерзания определяется балансом мощности тепла, идущего из недр земли, с мощностью холода, проникающего в грунт сверху в холодное время года.

Если интенсивность тепла земли не зависит от времени года и суток, то на поступление холода влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис. 26).

Рис. 26. Промерзание участка застройки: 1 — плита фундамента; 2 — расчетная глубина промерзания; 3 — граница промерзания дневная; 4 — граница промерзания ночная

Неравномерность толщины снегового покрова наиболее ощутимо сказывается на разности в пучении грунта. Очевидно, что глубина промерзания будет тем выше, чем тоньше будет слой снежного одеяла, чем ниже будет температура воздуха и чем дольше продлится её воздействие.

Если ввести такое понятие, как морозопродолжителъностъ (время в часах, умноженное на среднесуточную минусовую температуру воздуха), то глубину промерзания глинистого грунта средней влажности можно показать на графике (рис. 27).

Морозопродолжительность для каждого региона является среднестатистическим параметром, оценивать который индивидуальному застройщику очень сложно, т. к. это потребует ежечасного контроля за температурой воздуха в течение всего холодного сезона. Тем не менее, в крайне приближенном расчете это сделать можно.

Пример

Если среднесуточная зимняя температура — около -15 °С, а её продолжительность — 100 суток (морозопродолжительность = 100 24-15 = 36000), то при снеговом покрове толщиной в 15 см глубина промерзания будет 1 м, а при толщине 50 см — 0,35 м.

Если толстый слой снегового покрова, как одеяло, укрывает землю, то граница промерзания поднимается вверх; при этом и днем, и ночью её уровень сильно не меняется. При отсутствии снегового покрова ночью граница промерзания сильно опускается вниз, а днем, при солнечном прогреве, поднимается вверх. Разница ночного и дневного уровня границы промерзания грунта особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует и где грунт сильно увлажнен. Наличие дома также влияет на глубину промерзания, ведь дом является своего рода теплоизоляцией, даже если в нем и не живут (продухи подпола закрыты на зиму).

Участок, на котором стоит дом, может иметь весьма сложную картину промерзания и подъема грунта.

Например, среднепучинистый грунт по внешнему периметру дома при промерзании на глубину 1,4 м может подняться почти на 10 см, тогда как более сухой и теплый грунт под средней частью дома останется практически на летней отметке.

Неравномерность промерзания существует еще и по периметру дома. Ближе к весне грунт с южной стороны строения часто бывает более влажным, слой снега над ним — более тонким, чем с северной стороны. Поэтому в отличие от северной стороны дома, грунт с южной стороны лучше прогревается днем и сильнее промерзает ночью.

Таким образом, неравномерность промерзания на участке проявляется не только в пространстве, но и во времени. Глубина промерзания подвержена сезонным и суточным изменениям в весьма больших пределах и может сильно меняться даже на небольших участках, особенно в местах застройки.

Расчищая большие площадки от снега в одном месте участка, и создавая сугробы в другом месте, можно создать заметную неравномерность промерзания грунта. Известно, что посадки кустарников вокруг дома задерживают снег, уменьшая в 2 — 3 раза глубину промерзания, что хорошо видно на графике (рис. 27).

Рис. 27. Зависимость глубины промерзания от толщины снегового покрова

Расчистка узких дорожек от снега на степень промерзания грунта особого влияния не оказывает. Если же Вы решили у дома залить каток или очистить площадку для своего авто, то можете ожидать большую неравномерность в промерзании грунта под фундаментом дома в этой зоне.

Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента — другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5…7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Подобные силы возникают, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. При таком крепком сцеплении мерзлого грунта с бетоном на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, будет действовать вертикальная выталкивающая сила до 8 т.

Как же возникают и действуют эти силы, как проявляются они в реальной жизни фундамента?

Возьмем для примера опору столбчатого фундамента под легким домом. На пучинистом грунте глубина заложения опор выполняется на расчетную глубину промерзания (рис. 28, а). При небольшом весе самого строения силы морозного пучения могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.

Рис. 28. Подъем фундамента боковыми силами сцепления: А — столбчатый фундамент; Б — столбчато–ленточный фундамент по технологии ТИСЭ; 1 — опора фундамента; 2 — мерзлый грунт; 3 — граница промерзания; 4 — воздушная полость

Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый прочный грунт схватывает верхнюю часть столба мощными силами сцепления. Но кроме увеличения сил сцепления мерзлый грунт еще и увеличивается в объеме, отчего верхние слои грунта поднимаются, пытаясь выдернуть опоры из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увеличивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают вес дома. Мерзлый грунт вытаскивает столб, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины. За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5 — 10 см. Подъем опор фундамента под одним домом, как правило, происходит неравномерно. После оттаивания мерзлого грунта фундаментный столб самостоятельно на прежнее место, как правило, не возвращается. С каждым сезоном неравномерность выхода опор из грунта увеличивается, дом наклоняется, приходя в аварийное состояние. "Лечение" такого фундамента — сложная и дорогая работа.

Эту силу можно уменьшить в 4…6 раз, сгладив поверхность скважины толевой рубашкой, вложенной в скважину до заполнения её бетонной смесью.

Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями (рис. 4).

Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома следует выполнить в один сезон.

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (рис. 28, б), не поднимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему расширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить его домом, то такой столб должен иметь надежное армирование (4 прутка диаметром 10…12 мм), исключающее отрыв расширенной части столба от цилиндрической. Несомненные преимущества опоры ТИСЭ — высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму без загрузки сверху. Никакие силы морозного пучения его не поднимут.

Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.

Рис. 29. Разрушение перекрытия веранды силами сцепления мерзлого грунта с опорой

Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу.

Что же надо было сделать?

Существенно уменьшить либо количество центральных фундаментных столбов, либо их диаметр. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. Избежать разрушения можно было бы и через создание массивной ленты–ростверка, соединяющей эти опоры. Другой способ уменьшить подъем таких опор — заменить их на мелкозаглубленный столбчатый фундамент.

Выдавливание — наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента, заложенного выше глубины промерзания.

Чем его можно объяснить?

Выдавливание обязано суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще, чем подъем опор от боковых сил сцепления, имеющих сезонный характер.

Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт представим в виде плиты. Дом или любое другое строение зимой оказывается надежно вмороженным в эту камнеподобную плиту.

Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров стаял, а грунт увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается.

В звездную ночь ранней весной особенно холодно (рис. 30). Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу вырастает выступ, который мощью самой плиты сильно уплотняет грунт под собой за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы подобного уплотнения грунта огромны.

Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10x10 м будет весить более 200 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом "плиты" становится очень плотной и практически водонепроницаемой.

Рис. 30. Плита мерзлого грунта ночью: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания; 3 — направление уплотнения грунта

Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем (рис. 31). С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц. Дом при этом удерживается силами сцепления фундамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному периметру.

Рис. 31. Плита мерзлого грунта днем: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания (ночь); 3 — граница промерзания (день); 4 — полость оттаивания

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замерзают, увеличиваясь в объеме и превращаясь в так называемые "ледяные линзы". При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30 — 40 см толщина полости увеличится на 3 — 4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней и ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 — 15 см, как домкратом, опираясь на весьма сильно уплотненный грунт под плитой.

Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты — раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фундамента выше глубины промерзания, то давление мерзлого грунта поднимает фундамент, и тогда его разрушение неизбежно (рис. 32).

Рис. 32. Плита мерзлого грунта с разломом по ленте фундамента: 1 — плита; 2 — разлом

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернутую вверх дном. Это относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, которые днем превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное положение, то как раз там, где были холмы, и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше, наоборот, разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, где присутствует неравномерность в прогреве грунта и в толщине снегового покрова. Именно по такой схеме в глинистых грунтах возникают ледяные линзы, хорошо известные специалистам. Природа возникновения глинистых линз в песчаных грунтах такая же, но протекают эти процессы существенно дольше.

Подъем мелкозаглубленного фундаментного столба

Подъем фундаментного столба мерзлым грунтом осуществляется при ежесуточном прохождении границы промерзания мимо его подошвы. Вот как этот процесс происходит.

До того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна (рис. 33, а). Как только граница промерзания опускается ниже подошвы фундамента, "домкрат" пучинистых процессов сразу включается в работу. Пласт мерзлого грунта, находящегося под опорой, увеличившись в объеме, поднимает её (рис. 33, б). Силы морозного пучения в водо–насыщенных грунтах весьма высоки и достигают 10… 15 т/м². С очередным прогревом пласт мерзлого грунта под опорой оттаивает и уменьшается в объеме на 10%. Сама опора удерживается в поднятом положении силами своего сцепления с плитой мерзлого грунта. В образовавшийся зазор под подошвой опоры просачивается вода с частицами грунта (рис. 33, в). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объеме, продолжает подъем фундаментного столба (рис. 33, г).

Рис. 33. Подъем фундаментного столба пучинистым грунтом: А, В — верхний уровень границы промерзания; Б, Г — нижний уровень границы промерзания; 1 — лента–ростверк; 2 — фундаментный столб; 3 — мерзлый грунт; 4 — верхнее положение границы промерзания; 5 — нижнее положение границы промерзания; 6 — смесь воды и глины; 7 — смесь льда и глины

Следует обратить внимание на то, что этот процесс подъема опор фундамента имеет ежесуточный (многократный) характер, а выдавливание опор силами сцепления с мерзлым грунтом — сезонный (один раз за сезон).

При большой вертикальной нагрузке, приходящейся на столб, грунт под опорой, сильно уплотненный давлением сверху, становится слабопучинистым, да и вода из‑под самой опоры в процессе оттаивания мерзлого грунта выжимается сквозь тонкую его структуру. Поднятия опоры в этом случае практически не происходит.

2.1. СХЕМЫ ФУНДАМЕНТОВ

После изучения свойств грунта и оценки гидрогеологических условий на участке определяются с конструкцией фундамента и с глубиной его заложения. Оба эти параметра назначают одновременно.

Если говорить о конструкции, то в малоэтажном индивидуальном строительстве применяют столбчатые, столбчато–ленточные, ленточные, сплошные и свайные фундаменты (рис. 34).

Столбчатые фундаменты устраивают в тех случаях, когда применение ленточных фундаментов нецелесообразно. Столбы могут быть деревянные, каменные, кирпичные, бетонные, бутобетонные, железобетонные и металлические. Глубина заложения таких столбов может быть как минимальная (рис. 34, а), так и заложенная на глубину промерзания.

Столбчато–ленточные фундаменты (рис. 34, б) включают столбы, заложенные на глубину промерзания и ленту–ростверк, соединяющую верхние оголовки столбов в единую конструкцию. Отличительная особенность такого фундамента — наличие воздушного зазора в 10… 15 см под лентой. Снаружи зазор закрывается отмосткой, не связанной с лентой–ростверком. При устройстве фундамента на пучинистых грунтах воздушный зазор компенсирует расширение пучинистого грунта, а на непучинистых — обеспечивает "мягкое" опирание дома на основание.

Рис. 34. Разновидности фундаментов: А — столбчатый; Б — столбчато–ленточный; В — ленточный; Г — сплошной; Д — свайный; Е — подвал

Ленточные фундаменты (рис. 34, в) представляют собой монолитную или сборную ленту, равномерно загруженную конструкцией дома. Существуют монолитные ленточные фундаменты, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке из бетона или бутобетона, и сборные фундаменты, возводимые с применением готовых железобетонных блоков.

Сплошной фундамент (рис. 34, г) в виде монолитной железобетонной плиты или решетки позволяет существенно снизить удельные нагрузки на основание. Он часто применяется на слабых водонасыщенных или просадочных грунтах, при строительстве на насыпных грунтах.

Свайный фундамент (рис. 34, д) применяется на слабых грунтах, а также при поверхностных слабых грунтах, когда достижение естественного основания таким образом считается более целесообразным. Сваи могут быть забивными, выполненными из готовых железобетонных свай, забиваемых в грунт ударными механизмами; и набивными, изготавливаемыми непосредственно в грунте, с заполнением скважины бетоном. По своей работе в грунте, по тому, как передается нагрузка на основание, сваи делятся на висячие, которые передают основную часть нагрузки за счет трения по боковым поверхностям сваи; и на сваи–стойки, передающие основную нагрузку нижней своей частью, опираясь на прочные слои грунта. Эта категория фундаментов сооружается с использованием специальных механизированных средств, недоступных рядовому индивидуальному застройщику, поэтому в данной книге свайные фундаменты не рассматриваются.

Подвал, выполненный по всему периметру дома, можно считать элементом фундамента, передающего вес дома на основание. Стены подвала могут опираться как на плиту (рис. 34, е), так и на ленту.

По глубине заложения фундаменты разделяются на:

заглубленные — у которых подошва располагается на глубине промерзания или ниже (рис. 35, а);

мелкозаглубленные — у которой подошва располагается выше глубины промерзания (рис. 35, б);

незаглубленные — у которых подошва располагается на поверхности грунта или выше (рис. 35, в).

Рис. 35. Виды фундаментов по заглублению: А — заглубленный; Б — мелкозаглубленный; В — незаглубленный

Выбирая ту или иную схему фундамента, застройщику следует учитывать, что устройство фундамента под крыльцо, террасу или гараж должно быть увязано с фундаментом дома, с которым они сопряжены.

Рис. 36. Крыльцо и дом с разной глубиной заложения фундамента — причина недоразумения

2.2. СВЯЗЬ КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТА С ГРУНТОВЫМИ УСЛОВИЯМИ

2.3. НЕЗАГЛУБЛЕННЫЙ ФУНДАМЕНТ

Незаглубленный фундамент при строительстве на пучинистых грунтах используется в основном при возведении легких нежестких домов, допускающих деформации своего каркаса с сохранением эксплуатационных качеств и требуемого внешнего вида. При строительстве на скальных и крупнообломочных грунтах на незаглубленном фундаменте могут возводиться каменные дома. Незаглубленный фундамент выполняется в трех вариантах: столбчатый, в виде монолитной плиты или решетки (рис. 46).

Рис. 46. Виды незаглубленных фундаментов: А — столбчатый; Б — фундаментная плита; В — фундаментная решетка

Столбчатый незаглубленый фундамент

Столбчатый незаглубленный фундамент можно использовать для небольших деревянных и щитовых домов, бань, хозпостроек…, возводимых на непучинистых или слабопучинистых грунтах. При строительстве на скальных или крупнообломочных грунтах такой тип фундамента можно использовать и под большие в плане бревенчатые или брусовые дома.

Столбчатый фундамент на коротких опорах (стульях), расположенных с шагом 1,5…2,5 м в индивидуальном строительстве используется достаточно часто. Многие строительные фирмы, специализирующиеся на возведении деревянных домов, не загружая себя проблемами фундамента, кладут на землю фундаментные блоки, а на них — и сам дом (рис. 47, а). Такой прием вполне подходит при строительстве на непучинистых и слабопучинистых грунтах. Если грунт пучинистый, то снизить влияние пучения грунта на дом можно, заменив пучинистый грунт под опорой на песчаную подушку (рис. 47, б).

В качестве материала для опор можно использовать готовые стеновые или фундаментные блоки. Опоры можно выполнить в виде кирпичной кладки или изготовить из бетона, бутобетона или пескобетона. Обращаем внимание, что использование в фундаменте керамических кирпичей с низкой морозостойкостью и силикатных кирпичей — недопустимо.

Рис. 47. Незаглубленные фундаментные столбы: А — фундаментные блоки; Б — опора с песчаной подушкой; В — опора на крупнообломочном грунте; Г — деревянная опора; Д — гидроизоляция опоры; 1 — фундаментный блок; 2 — песчаная подушка; 3 — бетон; 4 — бутовый камень; 5 — бревно; 6 — гидроизоляция; 7 — венец

Если грунт скальный или крупнообломочный, то опоры можно устанавливать сразу на жесткие, устойчивые фрагменты грунта, предварительно удалив слабые и выветренные его составляющие. Опору можно также выполнить с использованием бута и пескоцементного раствора, обеспечивающего монолитность основания и самих опор (рис. 47, в).

В отдельных случаях опоры можно делать деревянные. Для этого используют комлевую часть сосновых или дубовых бревен диаметром 20…30 см. Для повышения устойчивости опор под них отрывают яму, заливают её слоем бетона в 10… 15 см и погружают в бетонный раствор саму опору (рис. 47, г). Недостаток деревянных опор — недолговечность — не более 8…15 лет. Для повышения срока службы древесину стульев обугливают на медленном огне и пропитывают дегтем, отработанными маслами и т. д.

Создание фундаментных опор связано с проведением гидроизолирующих мероприятий, необходимых для защиты конструкции дома от увлажнения её грунтовыми водами. Вода легко поднимается по структуре бетона, кирпича и дерева за счет капиллярного эффекта, создавая на своем пути очаги плесени, грибков и гниения. Гидроизолирующее покрытие'в виде битумной мастики, рубероида, толи, стеклоизола и т. п., располагаемое на стыке дома с фундаментом, обязательно для выполнения (рис. 47, д).

Если в качестве опор используются керамзитобетонные блоки, слабые по морозостойкости, то снаружи их покрывают битумной мастикой (кроме стороны, обращенной внутрь подпола). Это позволяет избежать увлажнения блока и помогает высушить его, если увлажнение произойдет.

Намечая разбивку фундаментных опор, следует учитывать смятие венца на опорах. Большое расстояние между ними (больше 2,5 м) может привести к сосредоточению больших усилий на каждой опоре, что создаст предпосылки к разрушению структуры древесины. Для уменьшения смятия древесины шаг опор лучше уменьшить, а нижний (окладный) венец дома желательно выполнить из бруса или бревна большего поперечного сечения и, по возможности, из древесины более прочных пород (дуб, лиственница).

Планируя создавать фундаментные опоры, необходимо учитывать и конструкцию забирки, которой предполагается закрывать подпольное пространство. Повышенная влажность в нижней части дома (роса, брызги от ливневых стоков с крыши, снег) требует выполнять забирку из влагостойких материалов. Асбоцементные или металлические гофрированные листы, цементно–стружечная плита, морозостойкий пластик, фасадные декоративные панели, закрепляемые непосредственно к стене или венцу дома, — вполне подходящее решение.

Высота опор определяет высоту расположения венца дома. Если столбы короткие, то венец и нижняя часть стен деревянного дома будут быстрее увлажняться, гнить, приводя строение в аварийное состояние.

Большая высота опор позволяет создать для деревянных конструкций дома более комфортные условия, но здесь возникают другие проблемы, связанные с пучинистыми явлениями. Пучинистые явления раскачивают опоры под домом с достаточно большими смещениями, способными опрокинуть их. Как это происходит.

Если грунт пучинистый, а подпол дома утеплен, то в плите замороженного прочного грунта, возникшего вокруг дома, образуется отверстие незамерзшего грунта (рис. 48). В процессе замерзания пучинистый грунт увеличивается в объеме во все свободные стороны, в том числе и в сторону отверстия в плите мерзлого грунта. На пучинистых грунтах горизонтальное смещение может достигнуть 10…15 см. Такие подвижки пучинистого грунта вполне могут опрокинуть не только высокие фундаментные столбы (рис. 49), но и узкие слабо армированные ленты незаглубленного или малозаглубленного фундамента.

Рис. 48. Плита мерзлого грунта с "теплым" подполом: 1 — фундаментная опора; 2 — мерзлая плита; 3 — вектор смещения грунта

Рис. 49. Наклон фундаментной опоры при "теплом" подполе: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания; 3 — фундаментная опора; 4 — обратная засыпка — утеплитель; 5 — снеговой покров

Обратная картина перекосов возникает в том случае, если фунт вокруг дома укрыт толстым снежным одеялом, а под домом фунт открыт и охлажден до температуры окружающего воздуха. В этом случае мощная плита замерзшего фунта начнет возникать со стороны дома там, где фунт промерзает быстрее (рис. 50). При таком промерзании фунта высокая опора под домом будет отклоняться в другую сторону (рис. 51).

Рис. 50. Плита мерзлого грунта с "холодным" подполом: 1 — фундаментная опора; 2 — мерзлая плита; 3 — вектор смещения грунта

Рис. 51. Наклон фундаментной опоры при "холодном" подполе: 1 — плита мерзлого грунта; 2 — граница промерзания; 3 — фундаментная опора; 4 — утеплитель перекрытия; 5 — снеговой покров

Для того, чтобы исключить опрокидывание опорных столбов, их лучше опирать на песчаную подушку (рис. 47, б), нейтрализующую пучинистые смещения около опор. Кроме того, сами опоры должны быть более устойчивыми: их высота не должна быть больше, чем 1,5 ширины подошвы. Что касается остальных мероприятий, то они направлены на то, чтобы граница мерзлого грунта в зоне расположения опор не меняла резко свою глубину. Для этого продухи в цокольной части дома следует закрывать на зиму, чтобы подпольное пространство не сильно промерзало. Не следует убирать снег вокруг дома до самой земли.

Застройщик, внимание!

Зимний холод почти наверняка опрокинет высокие опоры, если при открытом подполе сильно пучинистый грунт будет промерзать.

Пучинистые процессы не только "раскачивают" опоры фундамента, но и поднимают–опускают их, причем неравномерно, сильно напрягая конструкцию дома. Если дом стоит на отдельных столбиках–опорах или же на балках, уложенных на пучинистом грунте, даже с песчаной подсыпкой, а под полом сухо и тепло, то опоры под внешними стенами поднимутся, а под внутренними — останутся на месте (рис. 52). В деревянном доме это приведет к перекосам дверных косяков и оконных рам, к наклону пола и к небольшим проблемам с крышей; а в каменном доме — к трещинам в стенах, которые будут жить всё время вместе с домом, не боясь косметического ремонта.

Рис. 52. Деформации дома на пучинистом грунте: 1 — дом; 2 — фундамент; 3 — граница промерзания

Что можно посоветовать именно в этом случае?

Необходимо тщательно утеплить полы первого этажа, тогда грунт под домом будет промерзать в той же степени, как и вокруг дома; пучинистые явления будут проявляться не так сильно. Дополнительно к этому надо свести к минимуму увлажнение грунта вокруг дома, организовав водоотвод с крыши и снегозадержание вокруг дома.

Монолитная плита

Монолитная незаглубленная плита в качестве фундамента используется при строительстве на слабых просадочных грунтах, при возведении небольших строений на сильнопучинистых грунтах или в условиях вечной мерзлоты (рис. 26). Такой фундамент целесообразно использовать для легких строений, не вызывающих в самой плите больших напряжений, либо для жестких каменных конструкций, стены которых усиливают изгибную жесткость плиты.

Фундамент, уложенный непосредственно на пучинистый грунт, опускается и поднимается при изменении климатических условий, он "плавает" на поверхности грунта. Понятно, что если дом установлен на плите, являющейся полом первого этажа, то грунт под ней не промерзает, особенно под средней частью дома. Из‑за неравномерности промерзания под домом образуется провал грунта, который может достигать 10…15 см. Именно поэтому плита такого фундамента должна быть весьма жесткой на изгиб и иметь достаточную строительную толщину с хорошим армированием.

Один из распространенных вариантов незаглубленного фундамента — это тот, в котором между плитой и грунтом прокладывается слой утеплителя (жесткий пенополистирол толщиной 10 — 15 см). Такое решение позволяет не только уменьшить тепловые потери через пол первого этажа, но и практически исключить провал грунта под ним за счет выравнивания температурного поля под домом и около него. Сам утеплитель укладывается на слой крупнозернистого песка толщиной 30 — 40 см (рис. 53).

Рис. 53. Плитный фундамент на песчаной подушке 1 — песчаная подушка; 2 — утеплитель; 3 — плита; 4 — граница промерзания

Подобный фундамент целесообразно возводить на грунтах с постоянно высоким уровнем грунтовых вод, если дренаж трудно осуществим; а также на слабых просадочных и сильносжимаемых грунтах (водонасыщенные супеси или глины, торфы, водонасыщенные пылеватые грунты).

Можно воспользоваться и несколько другим вариантом снижения неравномерности промерзания под домом с плитным фундаментом — прокладкой утеплителя в толще грунта вокруг дома (рис. 54).

Рис. 54. Плита под легким строением: 1 — плита; 2 — песчаная подушка; 3 — утеплитель; 4 — стена

Причина появления трещины в монолитной плите

Пришел застройщик с серьезной проблемой. Дом 8x10 м в два этажа на пучинистом грунте; фундамент — железобетонная плита, отлитая на щебеночной подсыпке толщиной 50 см; стены из пеноблоков, усиленные сейсмопоясом. Зимой проблем не было, а вот весной во внутреннй стене появилась трещина, расходившаяся вверх до ширины в 1 см, да и отмостку подняло, которая позднее вернулась в исходное положение.

Стали разбираться в чем дело. Зима 2006 года выдалась особенно суровой. Грунт под периметром дома промерз очень сильно. Увеличиваясь в объеме, он не мог преодолеть вес тяжелого дома, отчего сильно уплотнился (рис. 55, А). Отмостка вокруг дома, жестко соединенная с плитой, не создавала своим весом большого давления на грунт, поэтому ее внешний край задрался вверх. Пришла весна. Грунт начал оттаивать и уменьшаться в объеме. Под внешним периметром плиты возник зазор, увеличивающийся в размерах по мере оттаивания грунта. Наступил момент, когда плита стала опираться на грунт только центральной своей частью. Не выдержав нагрузки, периметр плиты просел, а внутренняя стена дома треснула (рис.55, Б). Отмостка вернулась в исходное положение. Какие конструктивные недостатки проявились здесь. Большие габариты дома увеличили неравномерность промерзания грунта, большой вес дома перегрузил плиту изгибом. Положение могло усугубиться недостаточным армированием плиты, рассчитанным на первый этап пучения, с плотным армированием только в нижней части плиты. Похоже, что коварство пучинистого грунта проявилось в полной мере, когда холода уже отступили.

Рис. 55. Пучинистый грунт и дом на плите — сложные отношения: А — дом зимой; Б — дом весной; 1 — отмостка; 2 — граница промерзания; 3 — уплотненный грунт; 4 — щебень; 5 — плита; 6 — трещина в стене

Решетчатый незаглубленный фундамент

Решетчатый фундамент (рис. 46, в) используется при строительстве на слабых просадочных и на сильнопучинистых грунтах. По сравнению с монолитной плитой такой фундамент, имея высокую жесткость, позволяет существенно снизить расход бетона и арматуры. Но традиционный подход к устройству дощатой опалубки для такой конструкции фундамента сложен и дорог, что не позволяет широко его использовать.

Автором предлагается использовать плиты экструдированного пенополистирольного утеплителя (рис. 56) в качестве несъемной опалубки.

Рис. 56. Опалубка решетчатого фундамента: 1 — песчаная подушка; 2 — гидроизоляция; 3 — опалубка; 4 — плитный утеплитель; 5 — бетон; 6 — арматура

2.4. МЕЛКОЗАГЛУБЛЕННЫЙ ФУНДАМЕНТ

Мелкозаглубленный фундамент может использоваться при возведении каркасных и каменных строений на пучинистых и непучинистых грунтах. По своей сути этот вид фундамента находится между незаглубленным и заглубленным фундаментом, имея и достоинства, и недостатки того и другого. При промерзании пучинистого грунта мелкозаглубленный фундамент поднимается, но меньше, чем незаглубленный фундамент в 2…3 раза. Баланс между "плюсами" и "минусами" конкретно выполненного мелкозаглубленного фундамента достаточно неустойчив и достоверно может оцениваться только специальными расчетами, охватывающими, такие понятия, как жесткость и предельно допустимые деформации конструкции строения, динамика пучинистых явлений и механические характеристики грунта.

Мелкозаглубленный фундамент широко распространен в практике индивидуального строительства, т. к. он существенно дешевле заглубленного фундамента и надежней незаглубленного. В свое время его конструктивные решения были проработаны многими проектными организациями России (СССР), которые специализировались на разработке проектов домов для сельской местности.

"Рекомендации по выбору эффективных фундаментов для усадебных жилых домов". М.: МОСГИПРОНИИСЕЛЬСТОЙ, 1985.

— Мелкозаглубленные ленточные фундаменты целесообразно применять на непучинистых или слабопучинистых грунтах. На средне- и сильнопучинистых грунтах требуется армирование фундаментов, а также устройство значительных песчаных подсыпок.

— Мелкозаглубленные фундаменты можно применять на всех грунтах независимо от степени их пучинистости, кроме грунтов, относящихся к чрезмернопучинистым.

— На основании расчетов по методике, предложенной в "Руководстве по проектированию мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах" (М.: ЦНИИЭПсельстрой, 1982), разработаны некоторые решения по мелкозаглубленным фундаментам одно- и двухэтажных зданий. Эти решения включают:

— фундамент из бетонных блоков толщиной 400 и 500 мм для кирпичных и мелкоблочных домов на непучинистых и слабопучинистых грунтах (рис. 57, а);

— фундамент из бетонных блоков с выпусками арматуры для последующего омоноличивания стыков блоков для кирпичных и мелкоблочных домов на среднепучинистых и сильнопучинистых грунтах (рис. 57, б);

Рис. 57. Мелкозаглубленный фундамент из ж/б блоков (размеры в мм): А — фундамент на непучинистых и слабопучинистых грунтах; Б — фундамент на средне–пучинистых и сильнопучинистых грунтах;

1 — ж/б блок;

2 — песчаная подушка;

3 — гидроизоляция;

4 — плита перекрытия;

5 — стеновые блоки;

6 — кирпичная кладка;

7 — арматура;

8 — дно траншеи для среднепучинистого грунта;

9 — дно траншеи для сильнопучинистого грунта

— в качестве песчаной подушки используется песок крупной и средней крупности.

— С целью уменьшения глубины промерзания грунтов следует предусматривать задернение участка и высадку кустарниковых насаждений. Они аккумулируют отложения снега, снижая глубину промерзания более чем в три раза по сравнению с глубиной промерзания на открытой площадке.

— В пределах здания на мелкозаглубленном фундаменте возможно устройство погреба или подвала ограниченных размеров. Заглубление можно осуществить с помощью откосов (рис. 58), при этом соотношение длины уступа "L" и глубины "Н" должно быть не меньше 1:2.

Рис. 58. Устройство подпола при мелкозаглубленном фундаменте

Как можно заметить, сооружение мелкозаглубленных фундаментов по такой технологии связано с приобретением готовых строительных изделий и с подключением к работе тяжелых подъемных и транспортных средств. Для рядовых застройщиков такой вариант фундамента излишне сложен и дорог, но в тоже время дает начальное представление об этом классе фундаментов.

Более приемлемым вариантом мелкозаглубленного фундамента для индивидуального застройщика может стать создание монолитной железобетонной ленты непосредственно на строительной площадке. Подобные фундаменты хорошо освещены в книгах и в периодических изданиях, ориентированных на начинающих строителей.

Возведение подобного фундамента начинается с выборки траншеи глубиной 0,5…0,7 м (рис. 59). После этого боковые откосы траншеи застилают гидроизоляцией (толь, пергамин, полиэтиленовая пленка). Заполнение траншеи крупнозернистым песком и его уплотнение выполняется слоями толщиной 0,2…0,3 м. Гидроизоляция откосов траншеи исключает заиливание структуры песка, превращающее его в пучинистый грунт. После этого приступают к монтажу опалубки. Перед этим на песчаную подушку укладывают гидроизоляцию. Заполнение опалубки бетоном начинается с укладки нижних прутков арматуры (4 шт. диаметром 12 мм). Верхние прутки арматуры укладываются на сырой бетон перед завершением бетонирования. Проведение сварочных работ с арматурой не предполагается.

Рис. 59. Мелкозаглубленный фундамент монолитный: 1 — лента фундамента; 2 — арматура 12 мм; 3 — песчаная подушка; 4 — отмостка; 5 — гидроизоляция; 6 — гидроизоляция откоса

Для чего под мелкозаглубленным фундаментом делается подсыпка из крупнозернистого песка? Здесь может быть два объяснения.

Первое — очевидное: таким путем производится частичная замена пучинистого грунта на непучинистый. Тем самым уменьшается общая степень его деформации при промерзании.

Второе требует некоторого разъяснения. Предположим, что грунтовые воды достаточно высоко, они присутствуют даже в самом песке, т. к. дренаж невозможно провести по тем или иным причинам. Мокрый песок в замкнутом объеме также будет подвержен пучинистым явлениям. При быстром неравномерном суточном перемещении границы промерзания фундамент мог бы деформироваться. Но этого не произойдет: опускающийся фронт замерзающей воды будет разгонять воду равномерно по периметру дома благодаря хорошей водопроницаемости крупнозернистой песчаной подсыпки.

Планируя создать мелкозаглубленный фундамент под каменным домом, застройщик должен предполагать, что некоторых деформаций фундаменту никак не избежать. Поэтому изгибная жесткость всего дома должна быть достаточно высокой.

Какими средствами это можно обеспечить?

Большинство застройщиков делают мощную ленту, высокую и хорошо армированную, считая это простым и надежным приемом.

Но наиболее простое и эффективное средство для этого — армирование стен. Оно может быть выполнено в виде кладочной сетки, помещенной в слой кладочного раствора, или в виде арматурного пояса, расположенного выше уровня оконных и дверных проемов (рис. 60).

Рис. 60. Увеличение жесткости дома арматурным поясом: 1 — ж/б пояс фундамента; 2 — арматурный пояс

Насколько эффективен арматурный пояс?

Для примера можно сравнить изгибную жесткость фундаментной ленты высотой 1,0 м с жесткостью стены, возведенной на ленте фундамента высотой 0,3 м, но подкрепленной арматурным поясом, расположенным над оконной перемычкой (рис. 61). Расчеты показывают, что изгибная жесткость стены с арматурным поясом будет в 8…10 раз больше!

Рис. 61. — Устранение трещины в стене путем выборки грунта под частью фундамента

Для начала следовало вернуть дом в исходное положение, убрать трещину. Для этого под фундаментом, под трещиной, выбрали верхний слой песчаного основания в обе стороны по 1 м. При необходимости ширину подкопа можно было бы несколько увеличить.

После возвращения дома в нормальное положение следовало создать бетонный арматурный пояс. При этом на стене из пенобетона возникает определенная сложность в обеспечении совместной работы жесткого бетона со слабым пенобетоном. Чтобы арматурный пояс полноценно заработал, он должен иметь надежное сцепление с пенобетоном, чего достигнуть традиционным способом сложно.

Здесь было предложено обеспечить надежное сцепление через устройство цилиндрических полостей, выполненных на верхней поверхности стеновых блоков. Полости диаметром 5 см и глубиной 3…4 см, расположенные в шахматном порядке с шагом около 15 см, после заполнения опалубки бетоном создали надежную передачу сдвига от стены на арматурный пояс (рис. 62, б). Эти полости несложно выполнить насадкой на дрель, используемой для сверления больших отверстий в древесине.

Рис. 62. — Устранение трещины и усиление стены дома: А — выборка грунта под частью фундамента; Б — устройство арматурного пояса; 1 — стена из пеноблоков; 2 — цилиндрическая полость; 3 — арматура; 4 — арматурный пояс

В связи с вышеизложенным уместно будет напомнить, что в своей предыдущей книге "Новые методы строительства — технология "ТИСЭ"" автор тоже акцентировал внимание на вопросах обеспечения стабильности мелкозаглубленных фундаментов.

Напомним, что при устройстве подушки непучинистый материал (крупный песок) отсыпается слоями толщиной не более 20 см, проливается водой (если вода уходит в грунт) и уплотняется.

— Не допускается оставлять мелкозаглубленные фундаменты незагруженными на зимний период. Если это условие по каким — либо причинам оказывается невыполнимым, то вокруг фундамента следует устроить временное теплоизоляционное покрытие из опилок, шлака, керамзита, шлаковаты, соломы или других материалов, предохраняющих грунт от промерзания. Не потревоженный слой снега на строительной площадке также можно считать хорошей теплоизоляцией грунта.

— Обмазка боковых поверхностей фундамента гидроизоляция должна производиться по всей поверхности в два слоя: первый — тонкий с тщательной притиркой, второй — более толстый.

— С целью уменьшения глубины промерзания грунтов вокруг дома следует предусматривать задернение участка и высадку кустарниковых насаждений, которые аккумулируют отложение снега, снижая глубину промерзания на очищенной от снега площадке.

— Запрещается устройство мелкозаглубленного фундамента на промерзшем основании. В зимнее время допускается устраивать мелкозаглубленный фундамент только при условии глубокого залегания подземных вод с предварительным оттаиванием мерзлого грунта и обязательной засыпкой пазух непучинистым материалом

2.5. ЗАГЛУБЛЕННЫЙ ФУНДАМЕНТ

Заглубленный фундамент можно считать классическим, выполненным по традиционному пожеланию строителей: "Закладывайте фундамент на глубину промерзания ".

Действительно, правильно выполненный заглубленный фундамент не подвержен никаким деформациям. В зависимости от конструкции фундамента, затраты на его устройство могут быть как очень большими, так и весьма незначительными. Заглубленные фундаменты могут быть ленточные, столбчатые и столбчато–ленточные. Дома с подвалом также можно отнести к категории заглубленных фундаментов.

Ленточный фундамент

Ленточный фундамент, заложенный на глубину промерзания, имеет высокую несущую способность. В индивидуальном строительстве создание такого фундамента нельзя считать оправданным из‑за большого объема работ по его возведению и высокой себестоимости. Несущая способность основания для дома в 2 — 3 этажа используется не более чем на 20…30%. Только при повышенной этажности строений с бетонными перекрытиями можно применить такой тип фундамента.

Ленточные фундаменты могут быть монолитными и сборными. В поперечном сечении они представляют собой прямоугольную, ступенчатую или трапецевидную форму (рис. 63).

Рис. 63. Ленточный фундамент: А — прямоугольный; Б — ступенчатый; В — трапецевидный; 1 — фундаментный блок; 2 — подошва; 3 — бутовый камень

В индустриальном строительстве часто используется ленточный фундамент, возводимый с примением фундаментных блоков стеновых (ФБС), уложенных на блок–подушки (рис. 64).

Если проектом предусмотрена колонна, то на основание она передает нагрузку через специальную платформу, называемую башмаком (рис. 64).

Рис. 64. "Индустриальные" варианты фундамента: А — ленточный фундамент; Б — столбчатый фундамент; 1 — блок–подушка; 2 — фундаментный блок стеновой (ФБС); 3 — башмак, 4 — колонна

Трапецевидные фундаменты могут выполняться из бута, бутобетона, бетона или цементогрунта. При использовании железобетонных блоков в горизонтальный слой кладочного раствора следует закладывать арматуру. Боковая поверхность ленточного фундамента, возводимого на пучинистом грунте, должна быть ровной и выполненной с нанесением гидроизолирующего покрытия, которое уменьшает силы бокового сцепления с мерзлым грунтом и исключает его увлажнение от грунтовых или паводковых вод.

Столбчатый фундамент

Столбчатый фундамент, заложенный на глубину промерзания, достаточно распространен в индивидуальном строительстве из‑за своей простоты и доступности (рис. 65). Такой фундамент может вполне подойти для легких щитовых домов и веранд, для террас и крыльца, для легких заборов и каменных ограждений. Основная задача опор столбчатого фундамента — опереться на непучинистые, прочные слои грунта. Тяжелые каменные дома на таком фундаменте не возводят, так как опоры обладают недостаточно большой площадью подошвы. Основная проблема у застройщиков, нацеленных на столбчатый фундамент — найти правильный баланс между весом строения, несущей способностью опор и силами выталкивания от сцепления их с мерзлым грунтом.

Рис. 65. Столбчатый заглубленный фундамент: А — набивная свая; Б — с асбоцементной трубой; В — с металлической трубой; 1— арматура; 2 — толевая рубашка; 3 — асбоцементная труба; 4 — песок крупнозернистый; 5 — металлическая труба

Столбчатые фундаменты могут выглядеть в виде набивных свай, когда бетон заливается непосредственно в скважину, или в виде опор, созданных с использованием асбоцементных или металлических труб.

Набивная свая создается после бурения скважины на глубину промерзания. Ее несущая способность определяется диаметром скважины, т. е. площадью нижней части опоры. В скважину перед заполнением бетоном закладывается свернутая толевая рубашка, позволяющая сгладить стенки скважины и уменьшить силу сцепления мерзлого грунта с поверхностью сваи (рис. 65, а).

Следует заметить, что через нижнюю часть набивной сваи, не закрытую гидроизоляцией, цементное молоко просачивается в грунт, связывает его и тем самым повышает несущую способность (рис. 66, а). Несущая способность набивной сваи с подобным усиленным основанием может увеличиться почти в два раза за счет связывания грунта у нижней части опоры (толевую рубашку желательно поднять на 20…30 см от дна скважины).

Вместе с тем возможны случаи снижения несущей способности опор.

Рис. 66. Особенности столбчатого фундамента: А — набивная свая с усиленным основанием; Б — набивная свая с ослабленным основанием; 1 — свая; 2 — толевая рубашка; 3 — грунтобетон; 4 — плывун

Набивным сваям можно дать полную нагрузку через 4…5 дней, не дожидаясь окончательного набора прочности созревающим бетоном. Это допущение обязано тому, что несущая способность опоры определяется прочностью грунта под ней (см. табл. 4…8), а не прочностью бетона. Если прочность по бетону для опоры диаметром 25 см — не менее 150 т, то по прочности основания — не более 5 тонн. По сути, строительство можно продолжать без задержки, так как в реальности полную загрузку на эти 5 тонн сразу обеспечить сложно. Если опоры не имеют расширения внизу, то их обязательно следует загрузить весом дома до начала зимы: иначе их лоднимет мерзлый грунт.

Опора из асбоцементной трубы применяется в индивидуальном строительстве достаточно часто.

Фундамент для ограждения или террасы, для беседки или крыльца может быть выполнен с использованием асбоцементных труб (рис. 65, б). Один из способов создания такой опоры включает следующие операции:

— бурение скважины на глубину промерзания (диаметр скважины больше диаметра трубы на 5… 10 см);

— закладку в скважину свернутого рулона толевой рубашки, исключающей в дальнейшем заиливание песка;

— установку асбоцементной трубы необходимой длины (табл. 11);

Таблица 11. Размеры асбоцементных труб (часть ассортимента)

— заполнение объема трубы подвижным бетоном и его штыкование;

— небольшой подъем трубы и фиксацию её в поднятом выверенном положении (нижнюю часть скважины заполнит бетон);

— заполнение кольцевого зазора крупнозернистым песком и его уплотнение.

Нередко можно видеть опоры ограждения, выполненные из асбоцементных труб, которые внизу, на границе входа в грунт, разрушены. Именно там они сильно увлажнены и подвержены частому замораживанию–оттаиванию. Гидроизоляция нижней части опор и установка сверху заглушек предотвращают излишнее увлажнение их материала. Заполнение труб арматурой и бетоном поможет значительно увеличить срок эксплуатации опор.

При устройстве столбчатого фундамента вместо асбоцементных труб можно применить пластиковые и жестяные трубы, но в этом случае вся прочность опор будет связана с прочностью бетона и с его армированием. Такие трубы можно сделать и самим из подходящего листового материала (толь, рубероид, стеклоизол, линолеум и др.), который можно свернуть в трубу и обмотать липкой лентой.

Металлические трубы, закрепленные в грунте и являющиеся элементом конструкции, также можно рассматривать как столбчатый фундамент, т. к. нижняя часть трубы, располагаемая под землей, передает нагрузку на грунт со всеми теми особенностями, которые характерны для столбчатого фундамента. Несмотря на простоту самой опоры, вариантов её закрепления в грунте существует несколько.

При установке металлических стоек на пучинистых и сильнопучинистых грунтах их нижние части помещают в скважину. После укладки толевой рубашки скважину заполняют крупнозернистым песком или мелким щебнем, тщательно утрамбовывая (рис. 65, в).

Достаточно часто металлические трубы ограждений заколачивают в грунт. Глубина погружения в грунт таких опор — не более 1 м (рис. 67, а). В непучинистом и слабопучинистом грунте такая опора стоит достаточно надежно, хотя на большие боковые силы она не рассчитана. На пучинистых грунтах при незначительной загрузке (легкое ограждение) такую опору за сезон может поднять на 5…10 см. Поэтому такие опоры периодически, через один–два сезона, приходится заколачивать обратно.

Рис. 67. Опоры легкого ограждения и ворот: 1 — опора ограждения; 2 — ограждение; 3 — опора ворот; 4 — набивная свая; 5 — ворота

Навеску ворот желательно выполнять на стойки, рассчитанные на восприятие боковых нагрузок. Подобное нагружение может возникнуть, например, если дети в Ваше отсутствие решат покататься на створках ворот. Если диаметр стоек невелик, грунт от подобного нагружения может подсмяться и создать перекос навески воро–тин. Наиболее целесообразное решение этой проблемы — увеличить площадь смятия грунта через увеличение диаметра опоры (рис. 67, б). Опору следует создать с расширением внизу, т. к. иначе относительно легкая конструкция ворот не сможет противодействовать подъему опоры силами морозного пучения, которые в свою очередь увеличиваются с увеличением площади боковой поверхности опоры.

Столбчато–ленточный фундамент

Столбчато–ленточный фундамент является тем же столбчатым фундаментом, но с объединением опор лентой–ростверком в единую конструкцию (рис. 68). В столбчатом фундаменте это объединение осуществлялось самим домом. С точки зрения работы всей конструкции дома разницы между столбчатым и столбчато–ленточным фундаментами нет.

Создание ленты–ростверка может преследовать несколько целей:

— связать опоры между собой в жесткую конструкцию при строительстве сооружения с нежесткими стенами (щитовой, брусовой, бревенчатый дома);

— закрыть подпол дома надежной конструкцией, устойчивой к повышенной влажности и загрязнениям, т. е. устроить забирку;

— создать поверхность для укладки штучных стеновых изделий (кирпичи, пено–блоки, стеновые блоки…).

При создании столбчато–ленточного фундамента между грунтом и лентой должен быть воздушный зазор (10…15 см), компенсирующий пучинистые деформации грунта.

Рис. 68. Столбчато–ленточный фундамент: А — ошибочное выполнение; Б — правильное выполнение; 1 — лента–ростверк; 2 — поднятая опора; 3 — разрушенная опора; 4 — песчаная подушка; 5 — отмостка; 6 — воздушный зазор

В строительной практике используется столбчато–ленточный фундамент, у которого лента лежит на грунте или на песчаной подушке без воздушного зазора. Эта ситуация возникает в том случае, если планируется выполнить незаглубленный фундамент и одновременно обеспечить устойчивость стене, чтобы она не заваливалась (каменная ограда, протяженная стена склада или коровника…). При пучинистых явлениях стена поднимается–опускается с опорой, которая двигается в скважине как поршень, обеспечивая устойчивость стене от опрокидывания (рис. 69). В этом варианте опора должна иметь жесткую связь с лентой–ростверком, не иметь расширения внизу, обладать ровной боковой поверхностью, защищенной гидроизоляцией (толевая рубашка) и быть достаточно массивной, чтобы возвращаться в исходное летнее положение.

Рис. 69. Фундамент каменного ограждения: А — летом; Б — зимой; 1 — ограждение; 2 — арматура; 3 — лента фундамента; 4 — песчаная подушка; 5 — опора; 6 — мерзлый грунт

2.6. УСТРОЙСТВО ПОДВАЛА

Подвальное помещение также можно отнести к разновидности заглубленного фундамента. Подвальным считается этаж, у которого уровень пола помещений ниже уровня планировочной отметки земли более чем на половину их высоты. Высоту подвала принимают равной 1,9…2,2 м. Этого достаточно для размещения складских помещений или для установки генераторов тепла. Если в подвале планируется устроить тренажерный или игровой зал, то его высоту назначают не менее чем в жилых комнатах.

В подвальных помещениях удобно хранить продукты, делать заготовки. Это обусловлено свойством грунта сохранять почти постоянную температуру. На глубине 1,5…2 м от поверхности земли она держится на уровне 5 °С — зимой и 10 °С — летом.

Цокольный (полуподвальный) этаж заглубляют в грунт не более чем на половину высоты этажа. Достаточно часто цокольный этаж устраивают при строительстве на сложном рельефе (рис. 70). Высоту цокольного этажа приравнивают к высоте жилых помещений.

Наличие подвала — желание любого застройщика. Это и понятно. Увеличиваются полезные площади без увеличения габаритов дома. Стоимостной уровень жилья, если предполагается его когда‑нибудь продавать, также повышается.

Рис. 70. Цокольный этаж часто устраивают при сложном рельефе местности

Надо учитывать, что стоимость создания подвального помещения почти в 1,5 — 2 раза выше, чем надземного этажа, если требуется надежная гидроизоляция от грунтовых вод.

Вместе с тем, при расположении дома на сухих грунтах наличие в нем подвала или цокольного этажа оправдано и желательно, так как затраты на него оказываются в 2 — 4 раза меньше тех, что потребуются для создания обычного этажа с такой же полезной площадью.

Рис. 71. Если применяете пропан, то от подвала лучше отказаться

Конструктивное выполнение подвала и фундамента под него определяется уровнем грунтовых вод, степенью пучинистости грунта, типом перекрытия и схемой выполнения гидроизоляции подвала.

С позиции устройства фундамента под домом подвал выполняется по двум схемам: с опорой на плиту (рис. 72, а) и с опорой на ленту (рис. 72, б). Каждая из них имеет свою применимость и свою себестоимость.

Рис. 72. Силовые схемы фундамента подвала: А — на плите; Б — на ленте; 1 — стена подвала; 2 — плита; 3 — бетонная стяжка пола; 4 — лента; 5 — песчаная подушка; 6 — плита пола

Возводить дом с подвалом при высоком уровне грунтовых вод следует на плите. Армирование плиты и её бетонирование потребует немало средств, но так обеспечить герметичность соединения плиты со стенами подвала значительно проще. Толщина плиты (15…25 см) зависит от габаритов дома и расположения внутренних силовых стен подвала. Арматура плиты представляет собой жесткий пространственный каркас, уложенный по всей её площади. Диаметр арматуры — 12…15 мм.

При высоком уровне грунтовых вод для желающих строить дом с подвалом можно воспользоваться известным приемом. Глубину котлована под подвал делают небольшую, до уровня грунтовых вод (рис. 73, а). После возведения подвала извлеченный грунт насыпается вокруг будущего дома, который окажется на некотором возвышении. Зрительный образ дома будет более выигрышным, и грунтовые воды не будут сильно беспокоить (рис. 73, б).

Рис. 73. Устройство подвала при высоком уровне грунтовых вод: А — выемка грунта; Б — дом на "возвышении"

Если уровень грунтовых вод низкий и проблема обеспечения герметичности подвала перед застройщиком не стоит, то стены подвала можно опирать на ленту. При такой конструкции пол подвала — не силовой. С лентой фундамента и со стенами он не соединяется. Толщина ленты — 20…30 см, ширина — больше толщины стены на 4…5 см.

Что касается толщины стен подвала, то она определяется самим строительным материалом, пучинистостью грунта, глубиной заложения подвала в грунт, длиной стен и типом перекрытий (рис. 74). Если стены заглублены в непучинистый грунт более чем на 1 м, то их толщину определяют с учетом бокового давления грунта (табл. 12).

Рис. 74. К выбору толщины стен подвала: L — длина стены подвала в свету; В — толщина стены

Таблица 12. Минимальная толщина стен подвала в непучинистых грунтах

При таких толщинах стен на непучинистых грунтах перекрытия подвала не обязательно должны быть бетонными.

Основная задача застройщика, решившегося на устройство подвала, — исключить его увлажнение от грунтовых или паводковых вод. Капиллярная влага не должна вызвать увеличение влажности в помещении или увлажнение самой конструкции дома.

Для герметизации подвала применяют три схемы расположения герметизирующего слоя:

— наружная противонапорная;

— внутренняя противонапорная;

— гидроизоляция для защиты от капиллярной влаги.

При выполнении наружной противонапорной гидроизоляции следует учитывать, что её верхний край должен быть выше предполагаемого уровня грунтовых вод не менее чем на 0,5 м (рис. 75, а). Давление от слоя гидроизоляции передается на силовые ограждающие элементы пола и стен, что делает её более предпочтительной.

Рис. 75. Варианты выполнения гидроизоляции подвала: А — наружная противонапорная; Б — внутренняя противонапорная; В — гидроизоляция подвала от капиллярной влаги; Г — внутренняя противонапорная гидроизоляция на штукатурном растворе; Д — гидроизоляция при уровне грунтовых вод не больше 0,2 м от пола подвала

Горизонтальный участок гидроизоляции наносится по выровненной и гладкой бетонной подготовке до устройства днища подвала. Такая стяжка толщиной 4…5 см выполняется из смеси песка и цемента 6:1, которую желательно проармировать сеткой. На подготовленную поверхность плиты наносят слой грунтовки, а на него — битумную мастику. После этого настилают полотна рубероида с перехлестом не менее чем 10 см. За стены подвала рубероид должен выступать на 15 см. При влажных грунтах изоляцию выполняют из двух слоев толя или используют рубероид. Чтобы предохранить изоляцию от повреждений, снаружи ее закрывают слоем цементного раствора. Если в качестве рулонного материала применяют толь, то на бетон наносят дегтевую пропитку.

Вертикальные участки рулонной гидроизоляции наносятся на стены и защищаются снаружи кладкой в полкирпича, бетонными плитами или же слоем набрызга бетона. Перехлест горизонтального и вертикального участков гидроизоляции выполняют подгибом горизонтальной гидроизоляции не менее чем на 15 см. Вертикальную гидроизоляцию выводят не менее чем на 15 см над поверхностью грунта.

Если грунтовые воды залегают ниже отметки пола подвала и грунты там маловлажные, то достаточно ограничиться обмазочной гидроизоляцией с нанесением горячей битумной мастики в два слоя толщиной до 2 мм. Перед нанесением мастики стены следует покрыть грунтовкой.

Пространство между стенами подвала и грунтом забивают жирной глиной, устраивая глиняный замок.

Внутренняя противонапорная гидроизоляция устраивается, как правило, в уже существующих зданиях или при проведении ремонтных работ, связанных с устранением протечки ограждающих конструкций подвала (рис. 75, б). Так как давление на отдельные участки стен внутреннего кессона может быть значительным, то для его восприятия требуются конструктивные усиления.

Гидроизоляция подвала от капиллярной влаги не требует проведения работ высокого качества, как этого требовалось при создании противонапорной гидроизоляции. Разумеется, эта схема гидроизоляции не подходит для защиты от напорных вод (рис. 75, в).

Внутренняя противонапорная гидроизоляция на штукатурном растворе стала применяться относительно недавно, с появлением штукатурных растворов, обладающих высокой степенью адгезии и быстрым схватыванием. При напорах до 2 — 3 метров, что характерно для подвалов жилых домов, использование подобных гидроизоляционных штукатурных составов и мастик позволяет выполнять внутреннюю гидроизоляцию без создания кессона, с передачей водной нагрузки на штукатурный раствор (рис. 75, г). Как правило, такой вариант гидроизоляции используется при ремонтновосстановительных работах в качестве дополнения к существующему варианту.

Если слой герметизации не выдержал и произошла протечка, то устранение этого недостатка, даже засыпкой подвала грунтом, ни к чему хорошему не приведет, т. к. влаге очень сложно уйти из герметичного подвала. Поэтому постоянная сырость в подполе неизбежна, даже когда грунтовые воды уйдут далеко вниз. Правда, можно надеяться на современные гидроизолирующие покрытия, шпаклевки. Но если в подвале уже настелены полы, выполнены отделочные работы, то устранить подобные протечки будет непросто.

Многими застройщиками, только начинающими свой строительный путь, не учитывается гидростатическое давление грунтовых вод. Это может привести к всплытию подвалов и погребов, смотровых ям гаражей и выгребных ям канализации, незаполненных бассейнов. Все перечисленное — достаточно частые явления, если уровень грунтовых или паводковых вод высок, а вес сооружения небольшой.

Рис. 76. Плавучая пристань, включающая железобетонный кессон

Именно так следует представлять дом с подвалом или погреб тем, у кого возможно повышение уровня грунтовых или паводковых вод выше уровня их пола.

Герметичность подвала обеспечивается водонепроницаемостью стен и плиты дома, на которой он возведен.

Рис. 77. Разрушение тонкой плиты гидростатическим давлением: 1 — уровень грунтовых вод; 2 — давление воды

Что произошло?

Гидростатическое давление, действующее на пол снизу, оказалось закритическим. При уровне воды в грунте выше пола подвала на 1 м на единицу площади пола действует давление в 1 тонну. То есть на всю площадь этого подвала в 48 м² действует снизу сила в 48 тонн. Это вес очень тяжелого танка или целого вагона. Тонкий пол этого не смог выдержать.

Как надо было сделать. Плита пола должна быть толщиной не менее 20 см, и её армирование должно быть грамотно выполнено. Существенное усиление пола подвала можно было бы обеспечить возведением одной поперечной стены.

Если приглядеться к такому фундаменту, то бросается в глаза слишком близкое расположение стены к краю плиты, на которую она опирается. Наш застройщик уложил фундаментные блоки вплотную к периметру бетонного пола. Видимо, решил сэкономить на объеме земляных работ и бетонировании. При таком исполнении этого узла пол подвала от давления грунта сразу от края интенсивно начинает загружаться изгибающим моментом (рис. 78, а).

Большие изгибающие нагрузки — это и значительные деформации, и разрушающие напряжения в плите подвала. При слабом уплотнении грунта под плитой это проявляется в большей степени.

В варианте, когда плита пола выходит за контур стены на 30 — 40 см (рис. 78, б), максимальная величина изгибающего момента становится значительно ниже. Плиту можно было бы делать тоньше, не боясь деформаций и разрушений.

Рис. 78. Загрузка плиты подвала изгибающим моментом: А — неправильно; Б — правильно

Похожее разрушение плиты пола может произойти и с незаглубленной плитой. Тяжелый гараж может сильно деформировать плиту, особенно если нарушена её целостность удлиненным проемом под смотровую яму (рис. 79).

Рис. 79. Разрушение плиты фундамента от веса дома (гаража)

При устройстве подвала на его стены укладывают бетонные перекрытия. Это связано с тем, что боковое давление грунта на стены необходимо на что‑то передать. Особенно большое боковое нагружение стен возникает от пучения грунта, так как он стремится расшириться при своем замерзании во все стороны. Жесткие перекрытия позволяют замкнуть на себя нагрузки, приходящиеся на стены подвала со всех сторон. Эта расчетная схема рассматривает стену подвала как набор вертикально расположенных балок, передающих нагрузку от грунта на бетонный пол и на бетонное перекрытие (рис. 80).

Рис. 80. Восприятие давления на стены через пол и перекрытие подвала: А — общая схема

Рис. 80. Восприятие давления на стены через пол и перекрытие подвала: Б — узел схемы

Именно поэтому стены подвала при строительстве загружают бетонным перекрытием в этот же сезон, не дожидаясь, пока пучинистый грунт своим расширением наклонит стены внутрь подвала.

Эта схема принята при возведении подвала по технологии ТИСЭ. Такие вертикальные балки создаются в каждом четвертом вертикальном канале стены после их заполнения арматурой и бетоном. Схема эта хорошо работает вне зависимости от габаритов подвала и разбивки внутренних его стен.

При возведении стен подвала из готовых бетонных блоков выполняют горизонтальное армирование. В этом случае стена работает по другой расчетной схеме, при которой она рассматривается как набор горизонтально расположенных балок, передающих боковую нагрузку от грунта на внешние и внутренние стены подвала. Из‑за большого пролета такой горизонтальной балки стена подвала должна иметь большую толщину или эффективное горизонтальное армирование (рис. 81).

В реальности стену подвала следует рассматривать как набор одновременно работающих вертикальных и горизонтальных балок. Причем чем тяжелее сам дом, чем большим весом загружены стены подвала, тем ближе расчетная схема к стене с вертикально расположенными балками.

Рис. 81. Восприятие давления на стены через внутренние и внешние стены подвала: А — общая схема; Б — узел схемы

Рис. 82. Разрушение стен подвала, возведенного из фундаментных блоков

Исправить ситуацию и остановить процесс разрушения стен подвала возможно только с возведением в подвале подкрепляющих стенок. Это достаточно дорогое удовольствие, да и подвал потеряет всю свою привлекательность.

Разрушиться стена подвала от давления грунта может и без пучинистых явлений, при монтаже плит перекрытия. Опоры автокрана, установленные в непосредственной близости от стен подвала, создают в грунте достаточно высокий уровень напряжений. Нагрузка на выдвижную опору и боковое давление грунта на стены подвала особенно высоки, когда идет монтаж дальних плит, наиболее удаленных от автокрана (рис. 83).

Рис. 83. Разрушение стен подвала при монтаже плиты перекрытия

Чтобы не случилось подобного разрушения, расстояние от стены до края опорной площадки автокрана должно быть не меньше 0,8 м.

Начинать монтаж перекрытия следует с укладки ближних плит, которые смогут усилить устойчивость стен подвала.

Устройство подвала начинается с рытья котлована. При планировании этого этапа работ застройщик не должен забывать о том, что в зимнее время граница промерзания в зоне котлована опустится. Грунт с плотной структурой при насыщении водой и замерзании может снизить свою плотность и подняться на 10…15 см (рис. 84, а). Если же застройщик успел возвести подвал, но не предусмотрел его утепления, то пучинистые явления могут поднять подвал на 10…15 см, вызвав разрушения или недопустимые смещения. Чтобы этого не случилось, следует утеплить подвал по одной из двух схем, предусматривающих утепление по полу или по подвальному перекрытию (рис. 84, б, в). Последний вариант более удачен, так как при отсутствии перекрытия стены подвала от давления пучинистого грунта могут наклониться внутрь. Снеговой покров здесь можно считать утеплением подвала.

Рис. 84. Положение границы промерзания при устройстве подвала: А — открытый котлован; Б — утеплен пол подвала; В — утеплено перекрытие подвала; 1 — котлован; 2 — граница промерзания; 3 — стены подвала; 4 — утеплитель; 5 — отклоненное положение стены; 6 — грунт до промерзания

Планируя утепление и гидроизоляцию стен подвала снаружи, обращаем внимание на качественное выполнение их монтажа. Поверхности, контактирующие с мерзлым грунтом, должны быть ровными, а соединение их со стеной — надежные. Дело в том, что пучинистый грунт при своем расширении может захватить часть покрытия и разорвать его (рис. 85, а). Попадание влаги в стену будет неизбежным.

Силы сцепления грунта с утеплителем можно существенно понизить, введя слой песка между грунтом и утеплителем и устроив эффективный дренаж. Песок не должен быть мелким, а грунт и песок лучше разделить толью или полиэтиленом. Гидроизоляцию располагают под утеплителем, нанося её на саму стену. Песчаная засыпка должна быть соединена с дренажной системой (рис. 85, б). Верхние две трети песчаной засыпки можно заменить грунтом. Снаружи утеплитель может быть защищен кирпичной кладкой или жесткими панелями (цементо–стружечная плита или асбоцементный лист).

Рис. 85. Утепление стен подвала снаружи: А — разрушение утеплителя мерзлым грунтом; Б — защита утеплителя песчаной прослойкой; 1 — отмостка; 2 — утеплитель; 3 — гидроизоляция; 4 — граница промерзания; 5 — песок; 6 — дренаж

2.7. ОТМОСТКА

Основная задача отмостки — защитить фундамент, подпол или подвал от поверхностных вод и отвести от стен и от фундамента воду, стекающую с крыши. Она также является декоративным элементом, придающим дому архитектурную завершенность, одновременно выполняя роль тротуара вокруг него. Ширина отмостки должна выступать за кромку крыши на 0,2 — 0,3 м. Но в любом случае ее не делают меньше 0,7 м. Отмостке придают уклон от дома 5 — 10% (рис. 86).

Рис. 86. Отмостка: А — вдоль ленточного фундамента; Б — вдоль столбчато–ленточного фундамента; В — отмостка с желобом; 1 — лента–ростверк; 2 — глина; 3 — бетонная стяжка; 4 — пластина; 5 — слезник; 6 — желоб

Сначала вокруг дома на ширину отмостки снимают слой дерна толщиной 10 — 15 см. Далее заглубление под отмостку заполняют жирной глиной, тщательно её уплотняют, придавая требуемый уклон. Затем засыпают сверху слоем песка с гравием или щебнем, трамбуют и заливают цементным раствором с его последующим заглаживанием и железнением.

Для повышения прочности, морозостойкости и износостойкости в раствор можно добавить пластификатор или клей ПВА (0,5 кг на 10 литров воды). Неплохо также применить арматурную сетку. Армирование цементно–песчаного слоя можно дополнить поперечными стыками, расположенными с шагом 1 — 1,5 м (в раствор закладываются узкие тонкие рейки с битумной или дегтевой пропиткой, полоски стекла). Тем самым в отмостку вводятся деформационные стыки, предотвращающие появление трещин в случайных местах.

Вместо цементного раствора верхнее покрытие можно выполнить из асфальта, тротуарных плиток. В глину можно затрамбовать щебень, гравий, кирпичный бой.

Если фундамент предусматривает создание ростверка с воздушным зазором, то со стороны отмостки этот зазор можно закрыть лентой из оцинкованного железа, панелями ЦСП, асбоцементными листами, жестким морозостойким пластиком (рис. 86, б).

Расположение слоя гидроизоляции цоколя необходимо планировать так, чтобы он находился выше отмостки более чем на 0,2 м во избежание его увлажнения брызгами дождя.

Для отвода капель дождя от стыка ростверка с отмосткой сам ростверк может быть оснащен уступом со слезником (рис. 86, в).

Если в конструкции крыши не предусмотрено выполнение водоотводящей системы, то по периметру отмостки, под свесами крыши, создают углубления–желоба, тщательно выверенные на предмет создания уклона в сторону водоотвода или дренажа ливневых осадков (рис. 86, в).

Рис. 87. Подъем отмостки, жестко прикрепленной к дому: А — положение отмостки сразу после её устройства; Б — положение отмостки после оттаивания грунта; 1 — отмостка, 2 — арматура; 3 — стена

Создание фундамента может выполняться как с применением готовых изделий (фундаментные блоки, блок–подушки, башмаки…), так и с его отливкой из бетонного раствора на месте. Для индивидуального застройщика, желающего снизить свои затраты, отказ от покупных железобетонных изделий будет более оправданным.

Это связано не только с относительно высокой ценой готовых железобетонных изделий, но и с теми затратами, которые потребуются на их транспортировку, разгрузку и проведение монтажных работ. Без привлечения специальных подъемных средств тут никак не обойтись. Создание подъездных путей и организация самой строительной площадки под монтаж железобетонных изделий — это большие проблемы и дополнительные хлопоты.

В условиях индивидуального строительства в подавляющем числе случаев возведение фундамента связано с его бетонированием на месте. Это оправдано не только желанием снизить затраты, но и возможно благодаря более гибкому подходу к проектированию фундамента. В этом случае из бетона можно отливать фундамент любых размеров и форм без привязки к габаритам каких‑либо готовых изделий. Такой фундамент можно устраивать практически на любой строительной площадке вне зависимости от степени её освоения и застройки.

С бетонированием многие застройщики, может, не в тех объемах и не в тех условиях, но, скорее всего, уже сталкивались. Опыт общения с ними автора показал, что познания в этой области иногда бывают поверхностными и даже ошибочными. Начинающий застройщик должен отдавать себе отчет в том, что фундамент — это не только верно выбранная схема. Правильный подбор материалов, грамотно выполненное армирование, точное соблюдение правил бетонирования и содержания созревающего бетона — обязательные условия надежности и качества фундамента. Многие просчеты и недопонимания застройщика в этих вопросах слишком дорого обходятся ему в дальнейшем, на этапе строительства и эксплуатации жилья.

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНАХ

Бетон — искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего материала (цемент), воды, заполнителей (песок, щебень…) и специальных добавок (в определенных пропорциях). До затвердевания уплотненная смесь называется бетонным раствором.

По назначению различают бетоны:

— конструкционный — применяется для изготовления несущих и ограждающих конструкций; не предназначен для выполнения теплозащитных функций;

— гидротехнический — используется для возведения гидросооружений; характеризуется стойкостью к увлажнению, водонепроницаемостью, морозостойкостью;

— жаростойкий — предназначен для возведения специальных конструкций, работающих при высоких температурах;

— теплоизоляционный — используется в качестве теплоизоляции стен и перекрытий; не ориентирован на восприятие больших механических нагрузок.

По плотности бетоны бывают:

— тяжелые — наиболее распространенный бетон, у которого в качестве заполнителя используется щебень твердых пород (гранит, известняк, диабаз…);

— легкие и особо легкие бетоны — получают с использованием легких заполнителей (пемза, туф, шлак керамзит, пенополистирол) — шлакобетон, керамзитобетон, пенополистиролбетон; или путем придания пористой структуры (поризованные бетоны) через введение в бетонную смесь воздухововлекающих добавок (микропенообразователей) — пенобетон, или же предварительно взбитой пены или газообразующих добавок — газобетон.

К числу легких бетонов относятся также ячеистые бетоны, которые обладают высокопористой структурой. Объем пор в таких бетонах достигает 80%. Такие бетоны с плотностью 300… 1200 кг/м³ обладают низкой теплопроводностью и используются как эффективный теплоизолирующий материал. Бетоны с малой плотностью используются только как теплоизоляция, а более плотные — и как конструкционный материал.

По виду вяжущего вещества различают бетоны:

— цементные — бетоны на портландцементе и его разновидностях;

— гипсовые — обладают малой водостойкостью, поэтому из них изготавливают конструкции, находящиеся внутри здания (подвесные потолки, перегородки…);

— полимербетоны — вяжущие эпоксидные, полиэфирные и другие смолы. В настоящее время полимербетон используется для изготовления черепицы с относительно низкой себестоимостью;

— полимерцементные бетоны изготавливают с добавкой водных дисперсий (ла–тексов, винилацетата, винилхлорида, водорастворимых модификаций полиамидных смол, клея ПВА…), которые вводят вместе с водой затворения. Полимеры осаждаются в виде пленки на поверхности заполнителя, увеличивая сцепление между элементами бетона. Такие бетоны хорошо сопротивляются растяжению, обладают повышенной морозостойкостью, водонепроницаемостью, а также хорошо сопротивляются поверхностному износу.

Бетон — это смесь активных и инертных составляющих.

Активные составляющие бетона — цемент и вода — в результате химической реакции (гидролиз) переходят в твердую фазу и образуют цементный камень. Специальные добавки, корректирующие свойства бетона, также относятся к активным составляющим.

Инертные составляющие — заполнители — не участвуют в реакции отверждения бетонного камня. Цементный камень связывает мелкий и крупный заполнители, образуя жесткий скелет, воспринимающий внешние нагрузки. В некоторых бетонах (пенобетон, газосиликатный бетон и пескобетон) крупный заполнитель отсутствует.

3.2. ЦЕМЕНТ

Цемент — мелкий порошок серого, зеленоватого или белого цвета. Обычно он упакован в мешки из крафт–бумаги порциями по 50 кг или отпускается с заводов и торговых складов навалом. Цементы различают по наименованию (обыкновенный портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлако–портландцемент, роман–цемент и т. д.) и маркам. Бывают цементы марок "200", "250", "300"… "600".

Соотношение компонентов сырьевой смеси, необходимой для создания цемента, выбирают с тем расчетом, чтобы полученный при обжиге портландцементный клинкер имел следующий химический состав (%): СаО — 62…68, Si0₂ — 18…26, Аl₂0₃ — 4…9, Fe₂0₃ — 2…6. Для получения клинкера чаще всего используют известняк и глину (добываемые отдельно) в соотношении 3: 1 (по весу). Приготовленную смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, где при температуре 1200…1450 °С происходит обжиг — образование цементного клинкера (твердых кусков серого цвета размером в горошину или орех). В шаровых мельницах куски клинкера тонко размалываются с гипсом и другими добавками (тонкость помола — менее 0,08 мм). Чем тоньше помол, тем выше марка цемента и тем быстрее он твердеет.

Обращаем внимание некоторых индивидуальных застройщиков, которые очень ревностно относятся к экологии жилья: эти природные минеральные составляющие цемента экологически нейтральны. Низкий уровень экологической безопасности бетонных домов может возникнуть из‑за малой воздухопроницаемости стен и из‑за наличия в их составе гранитного щебня, который иногда имеет радиоактивный фон, выходящий за допустимые нормы.

Плотность цемента насыпная — 1100…1200 кг/м³, а в уплотненном состоянии — до 1700 кг/м³. В какой‑то степени насыпная плотность цемента может охарактеризовать его марку. С увеличением марки цемента плотность свеженасыпанного цемента также увеличивается:

— марка 100…… плотность 0,70 кг/л,

— марка 200…… плотность 0,85 кг/л,

— марка 300…… плотность 0,97 кг/л,

— марка 400…… плотность 1,10 кг/л,

— марка 500…… плотность 1,24 кг/л.

В одном ведре объемом 10 литров — 12…13 кг цемента М400.

Срок схватывания — одна из основных характеристик твердения цемента. Он рассчитывается от момента затворения (соединение с водой). Начало схватывания должно быть не ранее чем через 45 минут, а конец — не позднее 10 часов. Такие сроки дают возможность транспортировать и укладывать бетонные смеси до начала схватывания. Эти показатели определяют при температуре 20 °С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40 °С), то может произойти очень быстрое схватывание. Работая по технологии ТИСЭ, надо учитывать, что приготовленная смесь должна быть израсходована до начала момента схватывания (за 20 — 30 мин). Увеличить время схватывания можно, добавив в воду клей ПВА (на 1 ведро — 50 мл).

Твердение цемента — химический процесс, который происходит при взаимодействии с водой и сопровождается выделением тепла. Частицы цемента начинают растворяться, причем одновременно происходят гидролиз (разложение отдельных минералов водой) и гидратация (присоединение воды), образуется цементное тесто–гель, из которого позднее выпадают твердые кристаллы высокой прочности.

Твердение портландцемента — достаточно длительный процесс (месяцы и годы). Но если вначале, в первую неделю, процесс набора прочности идет очень резко, то в дальнейшем скорость нарастания прочности сильно замедляется. Поэтому качество цемента принято условно оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения (рис. 88).

Рис. 88. Изменение прочности бетона во времени (R — прочность бетона; R₂₈ — марочная прочность бетона)

При твердении бетона в естественных условиях 50% прочности достигается через 7 суток. Эти сроки значительно удлиняются при пониженных температурах (рис. 89). При повышении температуры до 80°С сроки созревания бетона сокращаются в 8 — 10 раз. Поэтому на производствах ЖБИ применяют пропарочные камеры, где бетонные изделия набирают прочность, достаточную для транспортировки изделий, за 5 — 10 часов. В графике приведен пример с замораживанием и оттаиванием бетонной смеси. Здесь имеется в виду замораживание до начала набора прочности, т. е. если смесь заморожена до начала схватывания. Если же замораживание бетонной смеси произошло в начале набора прочности, то такая смесь, потеряв монолитную структуру, не способна стать полноценным бетоном.

Рис. 89. График созревания бетона в зависимости от температуры: 1 — при 15…20 °С; 2 — при 40 °С; 3 — при 12 °С; 4 — при замораживании и дальнейшем оттаивании

Оценка качества цемента.

Качество цемента можно оценить по дате изготовления и сроку его хранения, при этом условия хранения должны быть соблюдены. За время хранения марка цемента снижается на 5% в месяц. Так, при хранении в течение 6 месяцев марка цемента снизится на 40…50%.

Цемент считается качественным, если нет признаков окомкования. Наличие этого процесса определяют на ощупь: если горсть цемента сжать в кулаке, то свеже–изготовленный цемент сразу просыплется между пальцами, а лежалый — образует комок, поскольку он уже впитал влагу. До тех пор, пока комок можно размять пальцами, цемент считается пригодным к использованию.

3.3. ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ БЕТОНОВ

3.4. СОСТАВ БЕТОННОЙ СМЕСИ И СВОЙСТВА БЕТОНА

Качество бетонных работ и производительность труда во многом определяются технологическими свойствами бетонной смеси. Бетонная смесь состоит из цементного теста, мелкого и крупного заполнителя. Каждый из этих компонентов влияет на вязкопластичные свойства смеси. Так, при увеличении содержания заполнителей смесь становится жесткой, а чем больше в цементном тесте воды, тем бетонная смесь становится подвижнее.

Характеристикой вязкопластичных свойств бетонной смеси служит удобоукладываемость — способность бетонной смеси легко укладываться в форму и уплотняться под действием различных способов уплотнения, не расслаиваясь. Удобоукладываемость различных смесей оценивают по их подвижности и жесткости.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Подвижность характеризуется осадкой конуса, отформованного из испытуемой бетонной смеси (рис. 94). Для этого стандартный конус заполняют смесью, уплотняя его штыкованием. После выравнивания верхней поверхности уплотненной смеси, форму–конус снимают и измеряют осадку конуса бетонной смеси (рис. 95), значение которой (в сантиметрах) послужит показателем подвижности (П).

Рис. 94. Определение подвижности смеси (размеры в мм): А — эталонный конус с образцом смеси; Б — геометрические размеры эталлонного конуса

Рис. 95. Подвижность смеси: I — малоподвижная (жесткая); II— подвижная; III — пластичная; IV — литая

Жесткость — характеристика удобоукладываемости бетонных смесей с малой подвижностью, у которых не наблюдается осадка конуса. Её определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси. Устройство для определения жесткости включает вибростол, металлическую цилиндрическую ёмкость и металлический диск с шестью отверстиями, закрепленный на штативе (рис. 96).

Для определения жесткости бетонной смеси конус заполняют смесью и уплотняют его штыкованием. Затем форму–конус снимают и опускают металлический диск на поверхность бетонной смеси. После этого включают вибратор (рис. 90, б). Время в секундах, в течение которых смесь распределится в цилиндре равномерно и хотя бы через два отверстия диска начнет выделяться цементное тесто, принимают за показатель жесткости бетонной смеси (Ж).

Рис. 96. Определение жесткости смеси: А — образец перед началом испытаний; Б — образец в конце испытаний; 1 — штанга; 2 — диск с отверстиями; 3 — образец смеси; 4 — штатив; 5 — цилиндрическая форма; 6 — вибростол

Производство бетонных работ требует определенной подвижности или жесткости, при которых качество бетонирования будет наилучшим (табл.15).

Таблица 15. Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости

В зависимости от назначения, вида монолитных конструкций и степени их армирования рекомендуются следующие показатели жесткости и подвижности бетонной смеси (табл. 16).

Таблица 16. Область применения бетонной смеси в зависимости от подвижности и жесткости

Связанность — способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. При нормальной подвижности распределение фракций заполнителя в объеме смеси достаточно равномерное (рис. 97, а). При повышенной влажности и наличии в смеси тяжелых фракций вода, как наиболее легкий компонент смеси, отжимается вверх; а крупный заполнитель (гравий, щебень), плотность которого обычно больше растворной части смеси (цемент, песок и вода), опускается вниз (рис. 97, б).

Рис. 97. Схема расслоения бетонной смеси: А — свежеприготовленная смесь; Б — расслоившаяся смесь; 1 — крупный заполнитель; 2 — цементно–песчаный раствор; 3 — вода; 4 — направление движения воды

Застройщик, собирающийся отливать бетонную опору при высоком уровне грунтовых вод, должен учитывать возможность расслоения тяжелой бетонной смеси от повышенной влажности. Если воду из скважины сложно удалить, то в бетонную смесь не следует вводить тяжелые фракции размером больше 2…3 см; лучше применить пескобетонную смесь, без щебня.

При создании легких бетонов на керамзите или шлаке следует учитывать возможность всплытия легких фракций, если в смеси будет избыток воды. Такое расслоение может произойти как при бетонировании, так и в процессе приготовления бетонной смеси в бетоносмесителе.

Избыточная влажность делает бетон неоднородным, снижая его прочностные показатели и морозостойкость. Связанность бетонной смеси обеспечивается правильным подбором её составляющих.

Процесс приготовления пенополистиролбетона сложно было бы осуществить без использования адгезива, который "приклеивает" цемент к шарикам пенополистирола, утяжеляет их, вовлекая в процесс перемешивания и песчаную составляющую смеси.

Прочность — свойство бетона сопротивляться разрушению от действия внешних нагрузок. Она определяется прочностью цементного камня и его сцепления с заполнителем. Как у всех каменных материалов, прочность бетона на сжатие значительно выше, чем на растяжение или изгиб (в 10…20 раз).

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажности рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость ее набора со временем затухает (рис. 88).

Прочность бетона принято оценивать по результатам испытаний его образцов через 28 суток твердения в нормальных условиях (температура 20 °С, влажность 95%). По итогам этих опытов бетону присваивают марку. Так, если бетон выдержал нагрузку 350 кг/см², то его марка — М350.

Отличительная особенность бетона — неоднородность его свойств. Это объясняется изменчивостью качества сырья, разными режимами приготовления смеси и её транспортировки, разнообразием условий твердения как по температуре, так и по влажности. Квалификация работников, организация контроля над строительством косвенным образом также сказываются на прочности бетона.

В практике выполнения бетонных работ вводится и такое понятие, как класс бетона — показатель, который учитывает возможные отклонения реальных свойств бетона от тех, которые оценены по результатам испытания образцов. Принимается, что реальные свойства бетона составляют 80…90% от свойств испытанных образцов. Например, класс бетона ВЗО соответствует бетону М400, а В40 — М550.

Прочность бетона зависит от марки цемента и соотношения воды и цемента (водоцементное соотношение В/Ц). Чем выше марка цемента, тем при прочих равных условиях прочнее будет цементный камень.

Влияние на прочность водоцементного соотношения объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает 20…25% воды от собственной массы, а чтобы обеспечить необходимую подвижность бетонной смеси, приходится брать 40…80% воды от массы цемента (рис. 98). После набора прочности в массиве бетона остаются мелкие поры, не оказывающие ощутимого влияния на свойства бетона.

Рис. 98. Схема взаимодействия зерен цемента с водой при нормальном количестве воды: 1 — зерно цемента; 2 — вода; 3 — гидратные новообразования; 4 — поры

Естественно, чем больше будет свободной воды, тем больше останется пор в цементном камне, уменьшится его прочность (рис. 99). Морозостойкость также будет снижена, ибо вода, попавшая в поры, при замерзании своим расширением начнет разрушать структуру цементного камня изнутри.

Рис. 99. Схема взаимодействия зерен цемента с водой при избыточном количестве воды: 1 — зерно цемента; 2 — вода; 3 — гидратные новообразования; 4 — поры

На основании опыта была установлена зависимость прочности бетона в возрасте 28 суток от цементно–водного отношения и марки цемента.

R₂₈ = 0,6 RЦ (Ц/В — 0,5) — для бетона с В/Ц=0,4…0,7;

R₂₈ = 0,4 RЦ (Ц/В + 0,5) — для бетона с В/Ц ≤ 0,4;

где RЦ, — марка цемента; Ц/В — цементно–водное отношение (по массе);

Обращаем внимание, что в формуле используется именно цементно–водное соотношение, обратное водоцементному.

Но вообще в строительной практике чаще используется термин водоцементное отношение (В/Ц), так как он сразу характеризует подвижность бетонной смеси — определение, более понятное для восприятия.

Графически зависимость прочности бетона от водоцементного отношения показана на рис. 100.

Рис. 100. Зависимость прочности бетона от В/Ц

Как уже отмечалось, скорость набора прочности цементным камнем сильно зависит от температуры. Влияние температуры окружающей среды на интенсивность набора прочности бетона показано на рис. 89.

Усадка бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона — сокращение линейных размеров до 0,3…0,5 мм на 1 метр длины. Большие усадочные трещины — одна из причин образования трещин в бетоне. Особенно значительная усадка — до 70% — происходит в начальный период твердения, т. е. в первые сутки. Причина — усадка твердеющего цементного теста. Наполнители бетона (песок и щебень) препятствуют появлению трещин, разбивая сплошную структуру цементного камня.

Технологическая аналогия

Если в хрупком листовом материале (стекло или оргстекло) по каким‑либо причинам появилась трещина, то самым верным способом остановить её развитие — просверлить небольшое отверстие на самом кончике трещины, сняв, как говорят специалисты, концентрацию напряжений.

Заполнитель бетона (песок, щебень) — это и есть те самые элементы, на которых останавливают своё развитие усадочные трещины цементного камня.

Поэтому чем больше в бетоне цемента, тем больше его усадка и вероятность растрескивания. Так что желание застройщиков–перестраховщиков сделать бетон крепче через увеличение объема засыпаемого цемента — далеко не оправдано.

В настоящее время в строительной практике используются расширяющиеся и безусадочные цементы, лишенные этого недостатка (гипсоглиноземистый расширяющийся цемент и расширяющийся портландцемент). Гипсовая добавка в этих цементах связывает лишнюю воду, одновременно создавая расширяющуюся составляющую цементного камня.

Следует отметить, что простая добавка гипса в портландцемент не допускается, т. к. в этом случае в цементном камне будут происходить необратимые разрушающие процессы, да и схватываться цемент будет слишком быстро.

Пористость

Для получения удобоукладываемой смеси приходится вводить в состав бетона в 2.. А раза больше воды, чем может связать твердеющий цемент. Химически не связанная вода, занимая некоторый объем, испаряясь, делает цемент пористым.

В среднем пористость плотно уложенного и затвердевшего бетона достигает 5…7%. При такой пористости бетон слабопроницаем для воды, но проницаем для легких нефтепродуктов (бензин, керосин) и газов.

Снижение пористости может осуществляться с использованием специальных цементов или введением в состав смеси специальных пластифицирующих добавок. Пористость бетона можно также уменьшить, увеличивая подвижность бетонного раствора за счет уплотнения смеси вибрацией (жесткие бетонные смеси с малым содержанием воды вибрацией не уплотняются).

Водонепроницаемость

Водонепроницаемость бетона зависит от пористости и структуры пор (замкнутые, капиллярные или сообщающиеся). Микропоры и капилляры размером более 0,1 мкм доступны для фильтрации воды.

Для повышения непроницаемости бетоны пропитывают специальными составами, вводят полимеры, покрывают бетон пленкообразующими составами.

Морозостойкость

Морозостойкость — способность бетона выдерживать многократное замораживание и оттаивание. Перед испытаниями бетон насыщают водой. При замерзании вода в порах увеличивается в объеме на 9% и вызывает большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его структуру: сначала образуются мелкие трещины и разрушаются поверхностные слои, а затем — и более глубокие.

Морозостойкость оценивается по числу циклов "замораживание–оттаивание", при которых масса образца изменится не более чем на 5%, а его прочность снизится не более чем на 15%.

Высокая морозостойкость достигается применением жестких бетонных смесей, а также введением пластификаторов. Морзостойкость повышается при увеличении плотности бетона и снижении водоцементного соотношения В/Ц.

В настоящее время созданы бетоны с морозостойкостью 600…800 циклов (например, уплотненные прессованием бетоны на мелкозернистых заполнителях — песках), используемые в дорожных покрытиях.

Состав бетонной смеси

Составом бетона называется массовое или объемное соотношение вяжущего, заполнителей и воды. Если в составе не оговаривается единица измерения, то значит принято весовое соотношение компонентов. Наиболее часто состав бетона выражают в виде отношения Ц: П: Щ, которое показывает во сколько раз количество мелкого заполнителя П (песка) и крупного заполнителя Щ (щебня) больше, чем цемента (Ц). Расход цемента в пропорции принимается за единицу. Обязательно указывают расход воды, который выражается водоцементным отношением В/Ц.

Пример

Состав бетона 1:2,5:5 при В/Ц=0,5 соответствует следующему массовому расходу компонентов смеси:

— цемент — 1;

— песок — 2,5;

— щебень — 5;

— вода — 0,5.

Состав бетона может быть выражен не только в массовом выражении, ни и в объемных долях, удобных для дозирования непосредственно на строительной площадке.

Выражают также состав и в виде массового расхода материалов (кг), необходимых для приготовления 1 м³ (1000 л) бетонной смеси.

Пример

— цемент — 320;

— песок — 800;

— щебень — 1200;

— вода — 160;

Всего — 2480 кг.

Вариантов состава бетона может быть достаточно много. В большой степени на этом сказывается назначенная марка бетона, фракционный состав мелких и крупных заполнителей, а также марка используемого цемента. В зависимости от содержания компонентов обычные бетоны подразделяются на жесткие, пластичные и литые. Примерные составы бетонов (в объемных частях) приведены в таблице 17.

Таблица 17. Состав бетона на тяжелых заполнителях

Подбор состава бетонной смеси сводится к тому, чтобы расход цемента был минимальным. Это достигается в том случае, если объем крупного заполнителя в бетоне максимально возможный (обычно 0,75…0,85 от объема бетона), а мелкий заполнитель занимает пустоты между зернами крупного (рис. 90, а).

Достаточно плотный и легко трамбуемый бетон получают, если количество гравия (щебня) не превышает количество песка более чем в два раза. Что касается фракций песка для бетона с наименьшей пористостью, то там применяют песок, у которого на долю зерен диаметром 0,25 мм приходится 25% от общей массы, диаметром 1 мм — 25% и до 3 мм — 50%.

При отсутствии крупных фракций прочность бетона существенно не снижается, но расход цемента увеличивается (рис. 90, б).

Технологические добавки

Добавки в количестве от 0,1 до 2,5% от массы цемента применяются для снижения его расхода и улучшения технологических свойств смеси и бетона: изменения сроков схватывания и созревания, повышения прочности и морозостойкости, водо- и газонепроницаемости, усиления защитных свойств бетона по отношению к арматуре.

Суперпластификаторы

Наибольшее распространение в качестве добавки получили суперпластификаторы, назначение которых — разжижение бетонной смеси до высокоподвижной литой консистенции. Они приготавливаются на основе меламино- и нафталино–формальдегидных смол. Суть их применения — снижение межмолекулярных сил сцепления в смеси. Введение суперпластификатора в количестве 0,3…0,6% обеспечивает снижение расхода воды, повышает физико–механические свойства бетона, дает возможность снизить расход цемента на 10… 15%.

Отличительной особенностью суперпластификаторов является их кратковременность. Через 1…1,5 часа после их введения подвижность смесей резко снижается.

Ускорители твердения

Для ускорения твердения бетона в качестве добавок применяют сульфат натрия (СН), нитрит натрия (НН), хлорид кальция (ХК), нитрит кальция (НК).

Ингибиторы

Для защиты арматуры от коррозии в бетонную смесь добавляют ингибиторы нитрит–натрия (НН), нитрит–нитрат кальция (НН1К) и нитрит–нитрат сульфат натрия (НН1СН).

Противоморозные добавки

При температуре + 5 °С бетонные смеси резко снижают скорость набора прочности. При температуре ниже 0 °С химически несвязанная вода превращается в лед и увеличивается в объеме на 9%. В результате в бетоне возникают напряжения, разрушающие его структуру.

При оттаивании процесс гидратации цемента возобновляется, но из‑за разрушенной структуры бетон не может набрать проектной прочности.

Экспериментами установлено, что если бетон до замерзания наберет 30 — 50% от проектной прочности, то дальнейшее воздействие низких температур не влияет на его физико–механические характеристики.

При внесении химических добавок процесс твердения бетона будет протекать и при температурах ниже 0 °С, но несколько замедленно. Скорость набора прочности бетоном зависит от температуры и химического состава противоморозных добавок.

Если противоморозные добавки действуют до температуры — 15 °С, то скорость набора прочности бетоном можно оценить по табл. 18.

Таблица 18. Скорость набора прочности бетона с противоморозными добавками, % оt R

Добавки вводят в виде водных растворов в процессе приготовления бетонных смесей в количестве 2…10% от массы цемента.

В качестве противоморозной добавки можно использовать:

— обычную пищевую соль, ее 5% водный раствор (на 40 л воды — 1 кг соли) замерзает при — 5 °С;

— раствор 6% пищевой соли и 9% хлорида кальция (ХК) (на 100 литров воды — 2,5 кг соли и 4 кг хлорида кальция) замерзает при — 15 °С.

В качестве противоморозных добавок применяют и другие соли: нитрит натрия (НН), нитрат кальция (НК), нитрит–нитрат кальция (ННК), поташ (П) и их соединения. Соли вводят в бетонную смесь только в виде водных растворов.

В настоящее время на рынке строительных материалов появилось достаточно много эффективных отечественных противоморозных добавок в жидком и в сухом виде, способ применения которых указывается в прилагаемых к ним описаниях.

Добавки вводят в виде водных растворов в процессе приготовления бетонной смеси.

Если в какой‑либо местности вместо песка или щебня используются иные материалы, сходные по своему применению в качестве заполнителя, то в этих случаях неплохо сделать образцы будущей смеси.

Для этой цели можно изготовить небольшие емкости, обрезав верхушки пластиковых бутылок (рис. 101). Образцов желательно сделать несколько, с разными составами. Их следует пронумеровать (нацарапать на свежем растворе) и сделать запись о составе каждого образца в тетради, которую застройщик должен обязательно иметь.

Рис. 101. Изготовление образцов бетонной смеси: А — заполнение емкости смесью; Б — образцы в пропарочной камере

Для ускорения созревания бетона на следующий день образцы можно освободить от емкости и поместить в пропарочную камеру. Для этой цели подойдет большая кастрюля с крышкой. На дно кастрюли наливается вода, образцы устанавливаются на невысокой подставке. На обычной плите кастрюлю с образцами разогревают до кипения воды и поддерживают это состояние в течение 8 часов, иногда подливая воду.

После такой пропарки образцы наберут прочность, соответствующую выдержке образцов в естественных условиях в течение 28 суток. Вынимайте образцы, разбивайте их молотком, оценивая их прочность. Более объективно это выполняется с применением эталонного молотка Кашкарова, оснащенного на конце подпружиненным шариком. Прочность бетона, по которому ударяют этим инструментом, оценивается диаметром следа от шарика.

3.5. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЕСКОБЕТОНА

Как уже пояснялось, тяжелые заполнители бетона вводят для экономии цемента. Бетонная смесь, в которой наполнителем служит только песок, для многих застройщиков может оказаться более приемлемой. Высокая стоимость щебня, усложнение дозирования смеси и повышенная вероятность её расслоения — не в пользу тяжелого бетона.

В последнее время и в индустриальном строительстве стал широко применяться пескобетон без тяжелых заполнителей. Чем это можно объяснить.

Каков же состав пескобетона?

Самый классический — цемент и песок 1: 3.

Эти материалы приведены как для застройщиков, осторожных и нерешительных по отношению ко всему новому, так и для строителей–консерваторов, которые отдают предпочтение традиционным материалам и технологиям, проверенным многими десятилетиями.

Организации, реализующие песок, часто предлагают песчано–гравийную смесь. Она несколько дороже песка, но значительно дешевле щебня. Применение такого наполнителя также позволяет снизить расход цемента. Застройщик, имеющий возможность выбрать песок любой фракции, должен знать, что для экономии цемента песок в своем составе должен иметь разные фракции. Чем больше будет это разнообразие, тем лучше.

Технологией ТИСЭ предусмотрено бетонирование фундамента без использования тяжелых заполнителей. Такой подход можно считать уместным, так как объем бетонирования при устройстве фундамента по ТИСЭ относительно невелик и экономия цемента от применения щебня может оказаться незначительной.

Возведение стен по технологии ТИСЭ выполняется с применением пескобетона повышенной жесткости. Формование пустотных стеновых блоков с применением опалубки ТИСЭ связано с ручной трамбовкой жесткой пескобетонной смеси. Распалубка осуществляется немедленно, сразу после трамбования.

Замена бетона со щебнем на пескобетон для многих индивидуальных застройщиков — хорошая возможность упростить и удешевить возведение фундамента и стен.

Жесткий бетон

Применение жесткой пескобетонной смеси в индивидуальном строительстве пока не столь распространено. Для многих начинающих и даже профессиональных строителей жесткий бетон — еще не освоенный материал. В последнее время на рынке строительных материалов появилось много изделий, изготовленных из пескобетона — тротуарные плитки, желоба систем водоотвода, бордюрные камни, черепица кровли и т. п. Все эти изделия формуются с применением жесткой пескоцементной смеси и рассчитаны на жесткие испытания морозами и влагой.

Подвижность цементного раствора без крупных фракций можно определить глубиной погружения в неё эталонного конуса (масса 300 г, высота 150 мм, угол при вершине 30°). Конус делают из жести, внутри него — свинцовая дробь (рис. 102).

Рис. 102. Эталонный конус

В зависимости от назначения растворы могут иметь различную жесткость, характеризуемую разной глубиной погружения конуса:

— стеновые блоки по технологии ТИСЭ…… 2..4 см,

— бутовая кладка обыкновенная……………. 4…6 см,

— заполнение швов в панельных домах……. 5…7 см,

— кладка из пустотелого кирпича………….. 7…8 см,

— кладка из обыкновенного кирпича……….9…13 см,

— штукатурные растворы……………………7…12 см.

При формовании блоков по технологии ТИСЭ не обязательно прибегать к работе с эталонным конусом. Подвижность смеси должна быть такой, чтобы она после сжатия в руке сохранила свою форму, а на ладонях не осталось бы следов цементного молока (рис. 103).

Рис. 103. "Ручная" оценка жесткости бетонной смеси

3.6. ПРИГОТОВЛЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ

Приготовление бетонной смеси — достаточно трудоемкий процесс, требующий как больших физических затрат, так и хорошей организации работ. При выполнении бетонных работ до 50…70% трудозатрат приходится на приготовление раствора. Застройщику следует отнестись к этому процессу с большим вниманием как на этапе выбора того или иного способа приготовления смеси, так и на этапе подготовки строительной площадки, оборудования и инструментов.

Существует ряд способов приготовления бетонной смеси, которые осуществляются механизированным или ручным методом. Не останавливаясь на промышленных заводских методах производства бетонной смеси, реализуемых на БСУ (бетонно–смесительных узлах), рассмотрим способы их приготовления непосредственно на строительной площадке.

Приготовление бетонной смеси механизированным способом может осуществляться бетоносмесителями гравитационного действия, основанными на свободном падении и перемешивании материала, и бетоносмесителями принудительного перемешивания (рис. 104).

Рис. 104. Бетоносмесители: А — гравитационный; Б — принудительный

Гравитационные бетоносмесители

В этих бетоносмесителях материал перемешивается в медленно вращающихся вокруг горизонтальной или наклонной оси смесительных барабанах, внутри которых закреплены короткие лопасти. Лопасти захватывают материал, поднимают его и при переходе в верхнее положение сбрасывают. В результате многократного подъема и падения обеспечивается перемешивание. В таких смесителях готовят подвижные пластичные смеси с крупным заполнителем из плотных пород. Данный тип бетоносмесителей считается достаточно простым и дешевым.

Наиболее распространенный объем "груши" гравитационного бетоносмесителя, используемый индивидуальными застройщиками, — 150…200 л. Его достоинства: относительно небольшая масса, удобство в работе и возможность питания от однофазной электрической сети.

В паспортных данных на бетоносмесители указывают как полный объем "груши", так и её загрузочную вместимость (суммарный объем сухих компонентов бетонной смеси, которые могут быть загружены в смеситель). При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзерновые пустоты более крупных заполнителей (песок — в пустоты крупного заполнителя; цемент — в пустоты песка), поэтому объем приготовленной бетонной смеси составляет 0,6…0,7 от суммарного объема исходных сухих компонентов. Этот коэффициент называется коэффициентом выхода бетона.

Время перемешивания зависит от подвижности смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем больше времени необходимо на перемешивание. В среднем это занимает 2…3 минуты. При увеличении времени перемешивания некоторые смеси могут расслоиться с выделением тяжелых фракций.

Приготовление подвижной смеси в гравитационном смесителе может осуществляться различными способами.

Первый. Перед закладкой компонентов во вращающийся барабан заливают всю воду. Это необходимо для того, чтобы освободить стенки от налипшей смеси, которая может быстро схватиться, затвердеть. Засыпают цемент, немного перемешивают, засыпают песок и перемещивают до получения однородной массы.

По другому способу сначала во вращающийся барабан загружают песок, который очищает емкость от предыдущего замеса. После загрузки барабана цементом создается пескоцементная сухая смесь. Затем барабан заливают водой. После замеса полноценной пескоцементной смеси в барабан закладывают щебень и после получения однородной массы завершают приготовление смеси.

Приготовление жесткой смеси (для возведения стен с опалубкой ТИСЭ) в гравитационном смесителе достаточно сложно, если не прибегнуть к каким‑нибудь технологическим ухищрениям. Сложность перемешивания связана с тем, что густая смесь собирается в единый комок и перемещается в объеме смесителя без разрушения. Поэтому приготовление жесткой смеси в гравитационном смесителе может выполняться следующими нестандартными способами.

— В бетоносмеситель закладывают три–четыре булыжника, которые в процессе вращения своим падением разбивают жесткую смесь.

— В процесс перемешивания жесткой смеси деревянным или резиновым ударным инструментом стучат по корпусу–обечайке, стряхивая с лопастей залипшую бетонную смесь. Ось вращения барабана должна быть близкой к горизонтальному положению.

— В объеме смесителя между лопастями натягивают проволоку диаметром 1,5…2 мм с интервалом 6…7 см друг от друга, которая в процессе перемешивания будет "резать" комья жесткой смеси (рис. 105). В двухлопастных и в трехлопастных барабанах проволока натягивается между лопастями, как показано на рисунках (рис. 105, а, б). Подобная проволочная сетка может пересекать весь объем барабана в одной диаметральной плоскости (отверстия под проволоку сверлятся в стенках самого барабана) (рис. 105, в).

Рис. 105. Доработка смесителя для приготовления жестких смесей: А — двухлопастной смеситель; Б — трехлопастной смеситель; В — трехлопастной смеситель; 1 — емкость; 2 — лопасть; 3 — проволока

— Лопасти в смесителе снимают. В процессе вращения смесителя рабочая смесь перемешивается лопатой–веслом, заведенной в объем смесителя и удерживаемой вручную (рис. 106). В какой‑то степени такой бетоносмеситель можно считать полупринудительным.

Рис. 106. Смеситель со снятыми лопастями

Бетоносмеситель принудительного перемешивания

Этот тип смесителей более универсален и способен перемешивать бетонные смеси любой подвижности с различными материалами и величиной фракций.

Приготовление смеси происходит в неподвижном корпусе с помощью вращающихся смесительных лопаток, скребков или лопастей. Смесители принудительного действия имеют разные конструктивные решения и принципы работы.

Наиболее распространен среди индивидуальных застройщиков принудительный бетоносмеситель с горизонтально расположенной осью вращения смесительных лопаток (рис. 104, б).

Если сравнивать два типа смесителей, то гравитационные получили более широкое распространение, нежели бетоносмесители принудительного действия. Они отличаются конструктивной простотой, меньшей металлоемкостью и энергоемкостью. Хотя процесс перемешивания в них более длительный (в 1,5…2 раза), чем в бетоносмесителях принудительного действия. В принудительных смесителях жесткая смесь готовится свободно, без каких‑либо конструктивных или технологических доработок.

Приготовление бетонной смеси вручную

Среди индивидуальных застройщиков приготовление бетонной смеси вручную выполняется достаточно часто. Это связано не только с ограниченными финансовыми возможностями, не позволяющими приобретать дорогую строительную технику. Приготовление смеси вручную в отдельных случаях может оказаться более оправданным, чем механизированные её варианты.

Приготовление бетонных растворов вручную может выполняться несколькими способами.

На двух листах жести гарцеванием

Сначала на листы железа (два листа оцинкованного железа 1x2 м), чуть с краю, высыпается половина порции песка, затем сверху — цемент, а потом досыпается оставшаяся часть песка. Из этой горки смеси рядом возводится другая горка. В процессе такой переброски смесь перемешивается. После двух–трех таких перелопачиваний она получается достаточно однородной (рис. 107).

Рис. 107. Приготовление бетонной смеси гарцеванием

Перемешивание полученной смеси с водой можно производить в следующей последовательности (рис. 108).

В смеси делают лунку и заливают её из лейки водой (треть объема воды), после чего увлажненный слой раствора снимают лопатой и складывают рядом.

Делают в горке новую лунку и заливают её из лейки второй третью воды. Затем так же, как и в первый раз, насыщенный водой слой снимают и перекладывают на первую отложенную часть увлажненного раствора.

Оставшуюся смесь разравнивают и проливают равномерно последней третью воды.

Рис. 108. Ручное перемешивание сухой смеси с водой

Завершают процесс перемешивания смеси с водой формированием общей горки готового увлажненного раствора.

После этого разравнивают смесь, засыпают её щебнем и перелопачивают два–три раза.

Такая технология приготовления смеси достаточно производительна. Она была применена на подмосковной строительной площадке при создании плиты фундамента, монолитного перекрытия подвала, а также при возведении стен по технологии ТИСЭ. На приготовление бетонной смеси двумя рабочими уходило четыре тачки песка со щебнем и один мешок цемента. Само перемешивание занимало не более 20 минут.

На двух листах жести "ковровым" способом

На два листа жести размерами 1x2 м насыпают слой песка в количестве, рассчитанном на один мешок цемента. Цементную дорожку располагают в середине. Толщина слоев 5 — 10 см (рис. 109, а).

Рис. 109. Приготовление бетонной смеси "ковровым" методом: А — сухое перемешивание; Б — увлажнение сухой смеси

Работая тяпками или граблями с редкими жесткими зубьями в поперечном направлении, смесь перемешивают. Лучше это выполнять вдвоем с двух сторон листа. Застройщик, имеющий возможность выполнять сварочные работы, может изготовить такие грабли самостоятельно, используя стальную полосу 25x4 мм (рис. 110).

Рис. 110. Растворные грабли

Если слой сухой смеси тонкий, то грабли можно развернуть зубьями вверх. Проливать сухую смесь водой лучше с помощью лейки (рис. 109, б) и в два этапа. Первую половину требуемого объема воды равномерно распределяют по поверхности "ковра" и перемешивают слои граблями или мотыгой. После этого разравнивают слой раствора и повторяют увлажнение с остальной частью воды. После перемешивания слой раствора собирают в горку готовой бетонной смеси. Объем воды, требуемый для одного замеса, определяется заранее.

Скорость приготовления смеси таким методом почти как в гравитационном смесителе, но работа более трудоемкая.

В желобообразном бойке

Более удобный вариант приготовления смеси можно реализовать на бойке, выполненном с использованием листа жести 1x2 м (рис. 111). Отсутствие внутренних углов в такой емкости и высокое расположение смеси упрощает процесс её приготовления и разгрузки, делает работу более удобной, позволяя снизить уровень прилагаемых физических нагрузок. Готовить смесь можно граблями, мотыгами или тяпками. Сначала на боек высыпается песок, а на него — цемент. Смесь перемешивается до равномерного серого цвета, после этого разравнивается. Посередине делается углубление, куда и заливается в два–три приема вся вода. После получения однородной массы в два приема засыпается щебень, и смесь перемешивается до степени готовности.

Рис. 111. Приготовление бетонной смеси в желобообразном бойке

В корытообразном бойке

Такой боек достаточно прост и легок. Для его изготовления потребуется лист жести 1x2 м и обрезные доски шириной 18…20 см (рис. 112). Из‑за своей простоты такая конструкция наиболее распространена среди индивидуальных застройщиков. Боек удобно переносить с места на место, обеспечивая максимальную близость растворного узла к зоне формования. Кроме того, в процессе приготовления смеси вода из него никуда не просачивается, обеспечивая точную дозировку смеси, исключая потерю цементного молока.

Рис. 112. Приготовление бетонной смеси в корытообразном бойке

Приготовление смеси в непосредственной близости от зоны формования особенно целесообразно при работе в жарких условиях, при которых смесь после затворения её водой быстро схватывается.

Преимущества ручного приготовления бетонной смеси относительно механизированного способа:

— оснастка дешевле и надежней в работе;

— возможно сразу использовать целый мешок цемента (50 кг), что существенно упрощает процесс дозирования смеси;

— загрузка компонентов смеси удобней;

— не требуется электричество, нет необходимости в прокладке к растворному узлу питающих электрических кабелей; снижена вероятность поражения электрическим током;

— оборудование легко переносимо, отчего приготовление смеси можно выполнять в любом месте строительной площадки;

— оборудование просто в обслуживании, его легко чистить и ремонтировать.

3.7. УХОД ЗА СОЗРЕВАЮЩИМ БЕТОНОМ

Чтобы свежеуложенный бетон получил требуемую прочность в назначенный срок, за ним необходим правильный уход: поддержание его во влажном состоянии, предохранение от сотрясений, повреждений, ударов, а также от резких перепадов температур. Нарушение режима ухода может привести к получению низкого качества и непригодного для эксплуатации бетона, а иногда — к разрушению конструкции. Особенно важен уход за бетоном в течение первых дней после бетонирования. Недостатки ухода в это время могут настолько ухудшить качество бетона, что практически их нельзя будет исправить в дальнейшем.

Прочность бетона и его морозостойкость определяются не только маркой цемента или составом наполнителей, но и тем, в каких условиях, при какой влажности проходил процесс его созревания. В жарких климатических условиях влажностному уходу за созревающим бетоном необходимо уделять особое внимание.

Приведенный ниже график показывает, что если бетон оставили на открытом воздухе без увлажнения, то его прочность снижается почти вдвое (рис. 113).

Рис. 113. График зависимости прочности бетона от влажности среды в процессе созревания бетонной массы

Из графика также видно, что уход за бетоном можно закончить уже через неделю.

Сохранение влажности в бетоне можно осуществлять, как отмечалось, постоянно увлажняя его, а также укрывая намокаемым материалом (мешковиной, соломой, опилками, землей, песком…) или ограничивая потерю влаги (для этого закрепляют гидроизоляцию на внутренней поверхности опалубки и накрывают созревающий бетон полиэтиленовой пленкой).

Другой способ сохранения влажности — покрытие поверхности созревающего бетона водонепроницаемыми пленками (масляные краски, клей ПВА, битумная мастика, жидкое стекло…).

Влажность из бетонного массива может уйти и за счет капиллярного эффекта, который возникает при контакте созревающего бетона с водопоглощающим материалом. Именно поэтому перед формованием очередного стенового блока по технологии ТИСЭ нижний ряд блоков обязательно увлажняют. По этой же причине под лентой фундамента, отливаемого в опалубке, прокладывают гидроизолирующий материал (толь, пергамин, полиэтиленовая пленка…). Это позволяет избежать потери цементного молока, создает условия для полноценного созревания бетона.

Необходимость в дополнительном увлажнении созревающего бетона легко оценивается визуально: влажный бывает темно–серого цвета, а с недостаточной влажностью — светло–серый. Если бетон накрыт полиэтиленовой пленкой, то наличие конденсата с ее внутренней стороны — это гарантия 100% влажности.

При возведении фундамента по технологии ТИСЭ при высоком уровне грунтовых вод у застройщиков возникают сомнения в качестве созревающего бетонного массива фундаментных столбов. Спешим их успокоить: подобные условия для созревания бетона — почти идеальные.

Другое дело — создание фундаментных столбов в сухом глинистом или песчаном грунте. В этом случае грунт около столбов следует увлажнять в течение первых пяти дней — выливать ведро воды в кольцевую ямку, созданную вокруг столба. Хотя в большинстве случаев реальная влажность грунта вполне подходит для созревания бетона, даже если создается впечатление сухого грунта.

Еще проблема, которая может возникнуть у застройщика, — предохранение созревающего бетона от промерзания.

Достаточно часто холода застают нас неожиданно. Что же делать, если смесь не содержала противоморозных добавок, а синоптики грозят заморозками? Первое средство — укрыть выступающие бетонные массивы пленкой, засыпать их опилками, песком или грунтом. Второе — пролить созревающий бетон солевым раствором (пачка поваренной соли на три ведра воды). Это надо делать до промерзания, а не после — когда уже ничем не поможешь. Вместо соли лучше применить готовые про–тивоморозные составы, реализуемые на строительном рынке.

3.8. АРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Бетон имеет существенный недостаток, присущий всем каменным материалам искусственного и естественного происхождения: он хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Прочность бетона на растяжение составляет всего 7…10% его прочности на сжатие. Чтобы повысить прочность бетона на растяжение и изгиб, в него укладывают стальную проволоку или стержни, называемые арматурой. Арматура с латинского означает "вооружение". Бетон, вооруженный арматурой, способен на многое.

Железобетон — это не два разнородных материала (бетон и сталь), а новый материал, в котором сталь и бетон работают совместно, помогая друг другу. Это объясняется следующими причинами.

Прочность сцепления арматуры с бетоном достаточно велика. Так, чтобы выдернуть из бетона пруток диаметром 12 мм, введенный на глубину 300 мм, потребуется сила не менее 400 кг. Сцепление стали с бетоном не нарушается и при сильных перепадах температур, так как коэффициенты их теплового расширения почти одинаковы.

Модуль упругости стали почти в 10 раз выше, чем бетона. То есть при совместной работе бетона со сталью напряжения стали в 10 раз выше, чем бетона, что ведет к перераспределению нагрузок, действующих в растянутой зоне балок. Основную нагрузку в растянутой зоне балки несет сталь, а в сжатой — бетон.

Бетон, благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с одной стороны, и щелочной реакции цементного камня, с другой, защищает сталь от коррозии (пассивирование).

Кроме того, бетон, как сравнительно плохой проводник тепла, защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. При температуре поверхности бетона в 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 часа нагреется лишь до 500 °С.

При работе железобетонной конструкции на изгиб на предельных значениях нагрузки в растянутой зоне бетона могут возникнуть трещины толщиной менее 0,1…0,2 мм (так называемые волосяные трещины), которые не опасны с точки зрения сцепления арматуры с бетоном и коррозии металла.

Для того чтобы арматура быстрее включалась в работу бетона, её выпускают с рельефной поверхностью, снабжая насечками различной конфигурации. Железобетонная конструкция будет работать лучше, если основные силовые прутки арматурного каркаса будут соединены в единую сварную конструкцию с поперечными связями.

Цель армирования можно пояснить на железобетонных изделиях, работающих на изгиб, которые достаточно широко применяются в строительной практике. Балки над проемами окон и дверей, железобетонные панели и плиты перекрытия, балки и ригеля мостов и цеховых построек можно отнести к этой категории строительных изделий.

Если взять бетонную балку, загруженную какими‑либо силами, например, распределенной нагрузкой (q) (рис. 114, а), то в ней одновременно действуют напряжения двух видов: нормальные (σ) и сдвиговые (Τ). Следует заметить, что величина этих напряжений меняется не только по длине балки, но и по высоте её поперечного сечения.

По длине балки, в каждом её поперечном сечении, напряженное состояние от воздействия внешних нагрузок может быть приравнено к одновременному действию двух нагружений — изгибающего момента (М изг) и перерезывающей силы (Q), величина которых в каждом сечении балки рассчитывается по определенным формулам "сопромата".

Наибольшая величина изгибающего момента будет в середине балки. К концам она будет уменьшаться до нуля. Графическое изображение такого изменения называется эпюрой изгибающих моментов М изг (рис. 114, в).

Эпюра перерезывающих сил Q (рис. 114, г) показывает, что наибольшая их величина приходится как раз на опоры, на которые опирается балка.

Рис. 114. Балка под нагрузкой "Р" и напряжения в ней: А — неармированная балка; Б — армированная балка; В — эпюра изгибающих моментов; Г — эпюра перерезывающих сил; 1 — бетонная балка; 2 — арматура; 3 — трещина от изгиба балки; 4 — трещина от перерезывающей силы; 5 — напряжения сжатия; 6 — напряжения растяжения

Что же происходит с такой балкой?

От действия изгибающего момента в ней возникают нормальные напряжения (сжатие–растяжение), которые по высоте сечения меняются от наибольшего сжатия вверху до наибольшего растяжения внизу. В нейтральной средней зоне поперечного сечения нормальные напряжения — нулевые. Наибольшие напряжения от изгибающего момента будут в середине пролета. Если бетон "не вооружен" арматурой, то внизу, в зоне действия растягивающих напряжений, могут возникнуть трещины (рис. 114, а).

В зоне действия максимальных перерезывающих сил возникают наибольшие касательные напряжения. Обращаем внимание любителей "сопромата" на то, что касательные напряжения создают в теле балки напряженное состояние, которое характеризуется одновременным действием нормальных напряжений сжатия и растяжения, ориентированных к горизонтали под углом в 45°. Растягивающая составляющая напряжений в зоне опор может спровоцировать появление наклонных трещин (рис. 114, а).

Армирование балки стальными прутками, усиливающими бетонный массив в зоне наибольших растягивающих напряжений в середине пролета и около опор, позволяет создать жесткую и прочную железобетонную конструкцию (рис. 114, б).

Где лучше располагать арматуру

Наибольшая эффективность арматуры при изгибающих нагрузках создается при её расположении в зоне максимальных деформаций от растягивающих напряжений, как можно ближе к краю. Но бетон должен защищать арматуру от коррозии, да и обжатие арматуры бетоном должно быть полноценным со всех сторон. Поэтому арматуру располагают в массиве бетона не ближе 3..5 см от поверхности железобетонного изделия, притом чем плотнее бетон, тем меньше может быть это расстояние.

Напряженный бетон

Использование прутков повышенной прочности в качестве арматуры полностью не реализует их потенциальные возможности. При полном их нагружении растяжением в массиве бетона возникают относительно широкие трещины, снижающие коррозийностойкость арматуры. Для повышения эффективности ее работы процесс бетонирования и созревания бетона происходит при натянутой арматуре. Таким образом создается напряженный бетон, находящийся в сжатом состоянии и при отсутствии нагрузок.

Применение метода предварительного натяжения позволяет повысить эффективность работы арматуры и всей железобетонной конструкции. В толще бетона натянутая арматура создает напряжения сжатия, которые после сложения с напряжениями изгиба, действующими на конструкцию, образуют относительно небольшую составляющую напряжений растяжения (рис. 115, а).

Рис. 115. Примеры напряженного бетона: А — балка; Б — Останкинская телебашня; 1 — бетонное основание телебашни; 2 — трос натяжения; 3 — напряжение от веса; 4 — напряжение от натяжения троса; 5 — напряжения от изгиба; 6 — суммарное напряжение в поперечном сечении; 7 — бетон; 8 — форма; 9 — арматура в растянутом состоянии; 10 — железобетонная балка под нагрузкой

В предварительно напряженных железобетонных конструкциях более полно используются прочность стали и бетона, поэтому уменьшается масса изделий. Кроме того, предварительное обжатие бетона, препятствуя образованию трещин, повышает его долговечность. Железнодорожные шпалы, сделанные по такой технологии, обладают весьма высоким ресурсом при эксплуатации в самых суровых климатических условиях.

Арматура

Прутки арматуры и сварные арматурные сетки используются в производстве железобетонных изделий на заводах ЖБИ и при бетонировании, выполняемом непосредственно на строительной площадке (устройство фундамента, армирование стен, создание бетонных перекрытий и надоконных перемычек, бетонирование дорог и устройство отмостки…).

В зависимости от механических свойств и технологии изготовления арматура делится на классы и обозначается следующими буквами:

А — стержневая арматура;

В — проволока;

К — канаты.

Для обеспечения максимальной экономии целесообразно применять арматуру с наиболее высокими механическими свойствами.

Индустриализация арматурных работ успешно решается за счет широкого применения сварных сеток, плоских и объемных сварных каркасов.

Металлургическая промышленность выпускает прутки арматуры диаметром от 5,5 до 40 мм. Следует учитывать, что применение арматуры большого диаметра (больше 12 мм) в условиях индивидуального строительства нельзя считать оправданным. Большие поперечные сечения арматуры используются при больших пролетах балок, которые встречаются лишь в индустриальном строительстве. Подобное ограничение связано с тем, что арматура в процессе работы бетонной конструкции загружается растягивающими напряжениями. Арматура больших сечений при небольших габаритах строений не успевает загрузиться в полной мере, из‑за чего полноценной совместной работы бетона и арматуры не происходит. Оптимальный диаметр прутков в условиях индивидуального строительства — 6…12 мм (армирование фундамента и стен, создание сейсмопояса).

Планируя выполнить стык прутков арматуры, индивидуальные застройщики не всегда хотят связываться с проведением сварочных работ. Простой перехлест арматуры на длине больше 60 диаметров прутков — достаточное условие для их соединения. Например, при диаметре прутков 12 мм, перехлест прутков должен быть не менее 72 см. Если законцовки прутков загнуть, то длину перехлеста можно уменьшить в два–три раза.

Достаточно часто застройщики применяют для армирования бетонных конструкций тот металл, который у них есть, или тот, который им предлагают знакомые.

Да, металл сейчас дорогой и такой подход к подбору арматуры вполне понятен. Но в этом есть некоторые ограничения.

Что нельзя применять для армирования:

— алюминиевые прутки (низкий модуль упругости и отсутствие сцепления с бетоном);

— листовую полосовую сталь (провоцирует появление трещин в плоскости листового материала при относительно малой площади поперечного сечения, слабое сцепление металла с бетоном по плоскости);

— полосы листового материала с просечками — отходы штамповочного производства (совсем малое реальное поперечное сечение арматуры);

— сетка–рабица (обладая свойствами пружины, никак не может выполнять армирующую роль);

— трубы, оставшиеся после демонтажа газопроводов, систем водоснабжения или центрального отопления (в полости труб может скапливаться вода, которая при замерзании разрушит трубу и бетон);

— массивные профиля в виде уголков, швеллеров, двутавров или рельсов (большая площадь сечения и относительно слабое сцепление бетона с плоскими участками металла затрудняют включение металла в работу, мешают созданию единой структуры железобетона);

— прутки арматуры длиной меньше 1 м (не успевают включиться в работу). Если арматура покрыта краской, жировыми или масляными пленками — все это необходимо снять, чтобы обеспечить хорошее сцепление металла с бетоном.

В последнее время в качестве арматуры в железобетонных конструкциях стали использовать изделия из стеклопластика и пластика с базальтовыми волокнами.

Арматурная сетка из стеклянных волокон, пропитанная битумом, используется для армирования асфальтобетонных покрытий и дорог, аэродромных покрытий, а также при проведении дорожных ремонтно–восстановительных работ. Выпускается по ТУ 2296-041-00204949-95. В технологии ТИСЭ применяется для армирования стен.

Лента выпускается в рулонах (75-80м) шириной 1 м. Ячейка — 25x25 мм. Разрывная прочность — 4 тонны на метр ширины. Сетка удобна в транспортировке и в раскрое (режется обычными ножницами), не создает "мостков холода", не ржавеет, инертна к электромагнитному излучению.

Гибкие связи из базальтовых волокон — прутки диаметром 5…8 мм с загнутыми законцовками. Длина гибкой связи согласуется с изготовителем. Прочная и жесткая гибкая связь не подвержена коррозии, хорошо стоит в бетоне, не создает "мостка холода". В технологии ТИСЭ применяется при возведении трехслойных стен без "мостков холода".

Замена металлического армирования стен на неметаллическое дает возможность сохранить природный электромагнитный фон Земли и тем самым улучшить экологическую среду в доме.