Фундаменты для промышленных зданий и сооружений: типы конструкций и особенности устройства

В отличие от гражданских зданий, конструкциям промышленных приходится испытывать не только статические нагрузки (от собственного веса и массы оборудования), но и динамические, вибрационные. Соответственно, фундаменты промышленных зданий должны иметь большой запас прочности и проектироваться не только на основании гидрометеорологических и геолого-геодезических изысканий, но и с учётом технологических и эксплуатационных особенностей сооружения.

При том, что способов осуществления задачи обычно имеется несколько, во время проектирования возможные вариации сравнивают и выбирают тот, который обеспечит наиболее выгодные технико-экономические показатели.

Выбор, определяемый расчётом

На выбор конструктива фундамента при проектировании промышленных зданий сначала влияет тип основания, на который ему предстоит опираться. Оно может быть как естественным, так и искусственным (насыпным) и иметь разные несущие способности.

Согласно с результатами полученных изысканий, определяется тип и конструкционные особенности фундамента, материал его исполнения, размеры в сечении и глубина заложения.

Предельные состояния грунтов

Естественные и насыпные основания обязательно просчитываются по двум видам предельного состояния:

1. Деформациям – рассчитываются в любом случае. В расчётах учитывается совокупное действие нагрузок и влияние внешних факторов (например, грунтовых вод, способных ослабить прочность грунта).
2. Несущей способности. Такие расчёты производятся, когда есть опасность воздействия горизонтальных нагрузок – например, сейсмических, либо здание находится на скальном основании или в непосредственной близости с откосом и сместить положение фундамента невозможно. При проектировании подпорных стенок такой расчёт выполняется обязательно.

Кроме того, при проектировании необходимо предусматривать вероятность изменения гидрогеологии участка застройки не только в процессе исполнения работ, но и в будущем, при использовании здания. Проблемы могут вызваны:

• естественными колебаниями отметки зеркала подземных вод, как сезонных, так и многолетних;
• образованием верховодки (локализации поверхностной воды в пустотах грунта выше УГВ);
• техногенными изменениями, влияющими на уровень залегания подземной воды;
• степенью её агрессивности как по отношению к грунту, так и к материалам заглубляемых конструкций.

Гидрогеология

Возможные изменения гидрогеологической обстановки и вероятности подтопления на участке застройки должны оцениваться в процессе инженерных изысканий. Во всяком случае, для зданий I и II класса (жилые и общественные), это обязательно. При неблагоприятном развитии событий, проект сразу же предусматривает работы по укреплению грунта, дренажу и водопонижению, либо усиленной гидроизоляции (о способах гидроизоляции фундаментов читайте в статье).

Заглубление подошвы фундамента

На выбор глубины заложения фундамента промышленного здания влияют:

1. Назначение сооружения.
2. Конструктивные особенности здания.
3. Расчётные нагрузки.
4. Глубина закладки инженерных коммуникаций и фундаментов соседних зданий.
5. Рельеф территории застройки.
6. Свойства грунта.
7. Характер подземных вод.
8. Сезонное промерзание грунта на местности (УГП).

Фундаменты каркасных зданий

Тип фундамента определяется строением стен здания. Если это сборный железобетонный каркас, в котором вертикальными несущими элементами являются колонны, то для их установки применяются фундаменты стаканного типа (ГОСТ 24476*80).

Особенности устройства стакана под колонну

Их строение начинается от простого блока с выемкой, в которую вставляется и замоноличивается колонна, до башмака со стаканом, в основании которого имеется опорная подошва в виде одной или двух плит.

• Фундамент под колонну, как и сама колонна, может быть и монолитным. В данный момент он представляет собой симметричную конструкцию ступенчатой формы с двумя или тремя выступами и подколонной выемкой. Если колонна тоже монолитная, то вместо подколонника в центре плиты при заливке устанавливают выпуски арматуры.

• Донышко выемки, в которую устанавливается колонна, обычно делается на 5 см ниже, чтобы иметь возможность нивелировать отклонения от размеров путём добавления пескоцементного раствора. Верх подколонника чаще всего проектируется в одном уровне с планировочной отметкой грунта, составляющей -150 мм.
• Высота такого фундамента определяется высотой подколонной части, и находится в рамках 1200 -3000 мм (через каждые 300 мм). Высота ступеней при этом остаётся неизменной. Фундаменты с высокими подколонниками применяют при закладке здания с подвалом, так как их подошва должна находиться ниже уровня пола помещения.
• Их усиление производится сварной стальной сеткой с ячейкой 200*200 мм (защитный слой бетона не менее 35 мм) и горячекатанной арматурой с периодическим профилем класса А-II. Подколонная часть армируется аналогично колонне, которая будет в неё устанавливаться.

• При заливке стаканов на объекте, для монолита применяются бетоны класса В15-В20. Обычно его используют под стальные вертикальные конструкции. Тогда подколонники делают без стакана, а вместо выемки в сплошном теле фундаментного башмака имеются анкерные болты для крепления колонны.

• Фундаменты стальных колонн могут заглубляться и ниже трёхметровой отметки. Тогда могут применяться сборные подколонники (серия 1.411.1-3). Их нижние концы фиксируют на башмаке фундамента, а в верхней части подколонника предусматривают крепления под вертикальный элемент каркаса.

Монолитный фундаментный стакан может быть двойным в тех случаях, когда необходимо установить две смежные колонны. При этом одна из них вполне может быть стальной, а другая железобетонной.

Фундаменты для опоры сплошных стен

В зданиях, где основные нагрузки от веса здания воспринимает не каркас, а сплошные стены из блоков или кирпича, фундаменты представляют собой сборную или монолитную ленту. Лента может опираться как на грунт, так и на точечные опоры – столбы или сваи (в этом случае опорную ленту называют ростверком (о строительстве фундамента с ростверком рассказано в нашей статье)).

Сборная и монолитная лента

Лента может быть монолитной, но в целях сокращения сроков строительства на крупных промышленных объектах чаще проектируют сборные фундаменты. Они собираются из неармированных бетонных или железобетонных блоков, плит, подушек, а также укрупнённых или доборных элементов.

• Плиты (подушки) укладываются плашмя в качестве основания и служат для увеличения площади опорной подошвы. Под ними должно быть предварительно выровненное песчаное основание, либо, если грунт нестабильный, выполняется бетонная подготовка. Блоки используют в качестве стен для вывода ленты на поверхность грунта.

• Сборный фундамент может быть не только сплошным, но и прерывистым. Укладка блоков с разрывами до 90 см помогает сократить расход материала в тех случаях, когда грунт на участке имеет отличную несущую способность. Сокращаются расходы на оплату труда, и соответственно снижается себестоимость конструкции.

• При устройстве ленты на просадочном грунте, поверх подушек — прежде чем монтировать блоки, устраивают шов толщиной до 5 см с заложенной в него прослойкой арматуры. Ещё один слой монолита, но уже толщиной до 15 см, предусматривают и поверх самого фундамента.

• Подушку фундамента делают не из подушек, а монолитом, стенку так же собирают из блоков. Чаще всего такое строение необходимо, когда здание имеет подвал. В этом случае блоки выполняют функции только стенового материала, а монолит воспринимает нагрузки от веса здания и распределяет их на грунт.

• Полностью монолитная лента имеет форму тавра с расширенной прямоугольной или ступенчатой подошвой. Она заливается по опалубке, установленной либо на уплотнённое насыпное основание, либо на жёсткий подготовительный слой из тощего бетона (подбетонку).

Перед бетонированием в опалубку предварительно монтируется объёмный арматурный каркас.

Столбы и фундаментные балки

Если основание вполне прочное, а здание одноэтажное и больших нагрузок не создаст, вместо более дорогой сплошной ленты проектируют фундаменты столбчатого типа.

Это монолитные бетонные столбы, расположенные в местах пересечения и примыкания стен, а также в промежутках между ними, с минимальным расстоянием 3 м (максимум 6 м).

Все опоры связываются между собой фундаментными балками – железобетонными или металлическими, которым и предстоит воспринимать нагрузку от веса стен.

Чтобы уменьшить их деформацию, под балками может быть устроена подсыпка из песка или шлака, толщина которой может достигать полуметра.

Под опорным башмаком столба устраивается песчаная уплотнённая подушка.

Сваи и ростверки

В горизонтально подвижных и слабонесущих грунтах для тяжёлых промышленных зданий проектируют не столбы, а сваи. Разница между ними состоит в том, что столбы заливаются по опалубке, а сваи изготавливаются на заводе и достигают длины до 12 м (а составные – и до 36 м). Длину выбирают исходя из толщины нестабильного пласта в грунте, то есть, этот параметр определяется только на основании гидрогеологических инженерных изысканий.

Роль сваи в том, чтобы достичь прочного слоя и зацепиться за него.

В промышленном строительстве используют железобетонные со сплошным сечением и полые сваи (оболочки) (ГОСТ 19804-2012), забивные сваи из стали и высокопрочного чугуна (Серия 1.411.3-11см.13) и винтовые (ТУ 25.11.23-001-46949399-2017). В отдельных случаях проектируются и сталебетонные конструкции.

О строительстве фундамента на забивных сваях рассказано в нашей публикации.

Классифицируют их не только по материалам, но и по способу заглубления в толщу грунта:

• вдавливание или забивка (для железобетонных);

• стальные погружаются за счёт вытеснения грунта;
• с применением виброударных и вибровдавливающих устройств;
• вибропогружение — круглые полые ж/б сваи, не заполняемые бетоном;

• вибропогружение полых свай с открытым нижним торцом с полным или частичным заполнением бетонной смесью;
• с вытеснением грунта и укладкой в скважину бетонной смеси;
• винтовое вкручивание свай с лопастями.

По форме сечения забивные сваи бывают круглыми, квадратными, призматическими, иметь наклонные боковые грани, представлять собой тавр или двутавр. Также они могут быть цельными или составляться из отдельных сегментов. Конструкция конца тоже отличается – от заострённого, до расширяющегося булавовидного.

Винтовые сваи отличаются в основном формой, а также размером лопасти и количеством витков. Сваи из обсадных труб чаще применяются для устройства наземных трубопроводов. В строительстве зданий их проектируют только тогда, когда возможность устройства другого типа фундамента исключена. Для повышения несущей способности, при устройстве свай может применяться сразу несколько технологий.

Применение свайных фундаментов в масштабном промышленном строительстве выгодно: они дают экономию за счёт сокращения земляных работ, строительства в малые сроки и с минимальным бюджетом. Важно и то, что здание на свайном фундаменте практически не подвержено осадке.

Требования по устройству ростверков

Как и в случае со столбами, оголовки свай обвязывают монолитным ростверком.

Этим работам предшествует приёмка свайного поля с обрезанными на проектной отметке сваями, а при наличии котлована – с возведёнными в нём ограждениями.

• В процессе проверки готовности поля к обвязке ростверком, выявляются сваи, имеющие наклонные трещины. При их обнаружении сваи должны быть усилены обоймой из железобетона (толщина 10 см) или же вовсе заменены.
• Оголовки недобитых свай должны срезаться методами, исключающими повреждение ниже места среза. Все промежутки между сваей и ростверком обязательно бетонируются.

• При случайной забивке сваи ниже проектного уровня, она наращивается монолитным способом.
• Для устройства ростверка котлован должен быть осушен. Для этого на его дно может быть уложен тампонирующий слой бетона толщиной до 1 м (если укладка производится на бетонную плиту).
• На естественном грунте, при перепадах отметок дна до 50 см, слой тампонажа может достигать и 1,5 м. Откачка воды эрлифтами производится после набора бетоном проектной прочности.
• Железобетонный ростверк заливается по аналогии с ленточным фундаментом. Согласно плану осей здания выносятся отметки, натягиваются причальные шнуры и осуществляется установка опалубки.

• После этого производят бетонирование с уплотнением смеси и последующим уходом за бетоном в процессе его твердения.

Видео об устройстве фундамента под возведение промышленного ангара

Заключение

При устройстве фундаментов каждый технологический этап должен сопровождаться исполнительной схемой, на которой отражены все согласованные отклонения от проекта, и составлением акта скрытых работ.

К числу таких работ относятся:

1. Обустройство оснований (дна котлована, оснований набивных свай, кессонов).
2. Погружение (свай, опускных колодцев, шпунта).
3. Устройство стыков между всеми железобетонными элементами, в том числе и сваями-оболочками.
4. Бурение и заполнение скважин (любых) – оформляется отдельными актами.
5. Утрамбовка дна котлована щебнем.
6. Устройство дренажа.
7. Установка иглофильтров.
8. Приготовление и нагнетание растворов (инъекционных и тампонажных).
9. Арматурные работы, установка закладных деталей.