Степень капитальности абсолютно всех зданий и сооружений полностью зависит от гидрогеологических характеристик грунта в месте строительства. Именно поэтому, на начальном этапе проектирования проводится комплекс инженерных изысканий, позволяющих определить пригодность каждого конкретного земельного участка для размещения строительных объектов с учетом давления их конструкции на основание. В ходе этих работ определяется несущая способность грунта – нагрузка, воздействующая на единицу его объема и не приводящая к деформации и усадке. Как и геология, она везде отличается. Поэтому от правильности проведения анализа зависит устойчивость объектов строительства, эксплуатационная безопасность, срок службы. Геологические и гидрогеологические изыскания и расчет несущей способности грунта проводят специализированные аккредитованные независимые организации, в Санкт-Петербурге – это компания «СтройЭкспертиза».
Свойства грунтов для оснований
Большинство грунтов, составляющих самый верхний ярус земной поверхности, пригодны для использования в качестве строительных оснований. Это глины и суглинки, супеси, песок, крупнообломочные, скальные породы – все, кроме плодородного почвенного слоя (ГОСТ 25100-2020). Определение их несущей способности проводится комплексно, исследованием образцов с полным анализом их параметров и свойств. Для оценки возможности строительства на выбранном земельном участке анализируются следующие характеристики грунта:
1. Механические
- сжимаемость;
- просадочность;
- набухание;
- морозное пучение;
- прочность;
- угол внутреннего трения;
- сцепление;
- сопротивление сдвигу;
- угол естественного откоса.
2. Физические
- влажность (зависит от уровня грунтовых вод);
- водопроницаемость;
- гранулометрический состав;
- выветрелость.
3. Химические
- кислотность (рН) грунта;
- растворимость;
- коррозийные свойства;
- засоленность.
Каждый из механических, физических, химических параметров грунта оказывает прямое или косвенное влияние на несущую способность, позволяет судить о возможности размещения на земельном участке строений с учетом уровня их ответственности – громоздкого, массивного здания или легкого, быстровозводимого павильона (СП 22.13330.2016). При этом принимаются во внимание следующие условия:
- вид и направление нагрузки;
- размеры и форма подошвы фундамента здания, сооружения;
- эксцентричность приложения нагрузки относительно подошвы фундамента;
- заглубление фундаментных конструкций;
- горизонтальность или наклонность слоев грунта относительно горизонта;
- состояние наружной поверхности грунта вокруг фундамента для оценки возможности выпирания;
- однородность грунтов основания, уровень подземных вод, глубина промерзания;
- темп нагружения;
- экологическая безопасность грунта и некоторые другие показатели.
Наиболее благоприятными считается условия, когда грунт однороден или составлен горизонтальными пластами, механически прочен, химически нейтрален, а его сжимаемость неизменна до глубины, определяемой габаритами фундамента.
Технология определения несущей способности грунта
Определение несущей способности грунта на земельном участке, отведенном для строительства, начинается с геологических изысканий. Для этого производится бурение скважин или шурфов, отбор проб для проведения анализов. Представленный на исследование грунт классифицируется – определяется его тип и находится гранулометрический состав. Далее, лабораторным путем определяются механические, физические и химические характеристики, определение сопротивления сдвигу, испытания на трехосное сжатие, на срез, на сдвиг вдавливанием штампов, зондирование скважин. Полученные в результате анализов данные ложатся в основу сложных инженерных аналитических исследований с использованием формул, с составлением таблиц и графиков. Итогом работы является определение средних значений фактического давления, которое может выдержать испытываемый грунт в одной из единиц измерения – мегапаскалях (МПа), ньютонах на квадратный сантиметр площади (Н/см²) и килограмм-силе на квадратный сантиметр (кгс/см²). Полученные данные необходимы и используются при проектировании фундаментов для сравнения с нагрузкой, которая возникнет после завершения строительства здания или сооружения с учетом непредвиденных обстоятельств – воздействия ветра, слоя снега на кровле. Для обеспечения эксплуатационной безопасности, при расчетах эти значения всегда принимаются с запасом.
Способы повышения несущей способности грунта
На практике, фактическая несущая способность грунта на выбранном земельном участке не всегда соответствует норме, необходимой для размещения нужного строительного объекта. В этом случае имеется возможность искусственного изменения его свойств поверхностным или глубинным способом. Это увеличивает прочность, устойчивость и водонепроницаемость грунта. Поверхностное закрепление эффективно на глубинах, которые не превышают 1 метр. Технология предусматривает разрыхление грунта, перемешивание с вяжущими материалами (известь, цемент и т.п.), уплотнение. Глубинное закрепление предполагает активное воздействие на грунтовую массу через пробуренные шурфы, скважины, забиваемые инъекторы без нарушения естественного залегания слоев. Эта технология включает в себя следующие методы:
- Химический (битумизация, цементация, смолизация). Сущность метода состоит в нагнетании в грунт жидкого одного из закрепляющих составов – цементного раствора, горячего битума, холодной битумной эмульсии, смеси раствора карбамидной смолы и соляной кислоты, раствора силиката натрия и хлористого кальция.
- Термический. Обработка грунта этим способом происходит при сжигании жидкого или газообразного топлива в скважинах, пробуренных на полную глубину закрепления. Обжиг с высокой температурой способствует увеличению прочности и устранению просадочности грунта.
- Искусственное замораживание. Данный метод является приемлемым для временного увеличения несущей способности слабых водонасыщенных грунтов. Методика предполагает закачивание через систему скважин хладоносителя (аммиак, фреон или жидкий азот), который охлаждает окружающее его пространство и создает ледогрунтовый массив, обладающей высокой прочностью и полной водонепроницаемостью.
- Электрический способ закрепления грунтов. Данная технология применяется для увеличения несущей способности влажных глинистых грунтов и заключается в использовании эффекта электроосмоса. При воздействии на грунт постоянного электрического тока, начинается отток влаги, глина уплотняется, осушается и теряет склонность к пучению. Интенсивность процесса можно увеличить одновременным введением в грунт химических добавок (CaCl2 и др).
- Механический способ увеличения несущей способности. Методика предполагает укрепление массива устройством грунтовых подушек с заменой слабого грунта более прочным и послойным уплотнением. Разновидность метода – устройство грунтовых свай с бурением скважин и засыпкой их новым, прочным грунтом. Еще один вид механического увеличения несущей способности грунта – уплотнение дна котлованов крановыми трамбовками, гладкими или кулачковыми катками, виброкатками и виброплитами, трамбующими машинами.
Все вышеописанные способы испытаны на практике и способны увеличить несущую способность грунта до значений, соответствующих планам и проектам строительства новых зданий или сооружений.