Столбчатые фундаменты состоят из нижней части и подколонника. Нижняя часть, бетонируемая в узких коротких траншеях в виде вертикальных несущих элементов, может иметь прямоугольное, крестообразное, прямоугольное сдвоенное, двутавровое, коробчатое и другие поперечные сечения. Продольное сечение нижней части фундаментов зависит от способа разработки траншеи и может быть прямоугольным, прямоугольным с криволинейной формой подошвы и криволинейным.
Прямоугольное очертание продольного сечения траншеи достигается при разработке траншеи плоским грейферным ковшом только в твердых и скальных грунтах, залегающих в уровне несущего слоя, или в случае применения специальных видов землеройной техники, например, горизонтально расположенных баровых органов. В остальных случаях при разработке грунта грейферами продольное сечение траншеи соответствует прямоугольному с криволинейной формой подошвы, криволинейность которой определяется конфигурацией и радиусом движения челюстей ковша.
При разработке грунта ковшом «обратная лопата» — продольное сечение траншеи имеет криволинейное очертание. Кроме того, для получения симметричного очертания траншеи при разработке грунта экскаватором, оборудованным ковшом «обратная лопата», требуется определенный навык работы, отличающийся от навыков на вскрышных работах. Толщина столбчатых фундаментов из отдельно стоящих прямоугольных стенок принимается от 0,5 до 1,0 м .
В остальных случаях: при сдвоенных, крестообразных, других поперечных сечениях, обеспечивающих сопряжение подколонника с фундаментом в двух плоскостях действия нагрузок,— толщина стенок может назначаться 15—20 см и более. Длина фундаментов зависит, главным образом, от применяемого землеройного оборудования и обычно равняется при разработке траншей штанговыми гидравлическими грейферными экскаваторами, 2—2,5 м, а экскаваторами, оборудованными ковшом «обратная лопата>,— 3—5 м. Глубина траншеи (высота подземной части фундамента) может приниматься от 2—3 до 20—25 м, а в отдельных случаях и более.
В столбчатых фундаментах из монолитного железобетона подколонник может опираться на обрез подземной части, заглубляться или располагаться в ней. Наиболее простое конструктивное решение фундамента под железобетонные и стальные колонны реализуется при отдельно стоящей прямоугольной стенке с опирающимся подколонником. Такое решение целесообразно при отметке естественного рельефа грунта, близкой к отметке, соответствующей низу подколенника, т. е. при отметке планировки подсыпкой. Оно может также найти широкое применение и при отметке планировки, соответствующей уровню природного рельефа.
В этом случае для основных сечений сплошных железобетонных колонн высота подколонника, диктуемая, главным образом, глубиной заделки колонны в стакан, не превышает 1,2—1,4 м. Следовательно, глубина пионерного котлована или траншеи, соответствующая отметке низа подколонника, не будет превышать 1,35—1,55 м. По сравнению с фундаментами на естественном основании, устраиваемыми в котловане, глубина заложения которых в условиях Среднего Урала принимается равной 1.9—2,6 м, а в ряде случаев до 4—6 м, рассматриваемое конструктивное решение щелевого фундамента позволяет сократить объем земляных работ до 30—50%. При этом объем опалубочных работ уменьшается в 2—2,5 раза.
Одним из недостатков данного конструктивного решения является довольно большая толщина подземной части, которая принимается, как правило, не менее 0,5 м независимо от действующих нагрузок и не может быть существенно уменьшена из-за размеров подколонника. Это приводит к тому, что объем щелевых фундаментов всего на 5—6% меньше, чем фундаментов на естественном основании из монолитного железобетона, и на 20— 40% больше аналогичных фундаментов из сборного железобетона. При этом расход арматуры у щелевых фундаментов этого типа на 10—15% меньше. В случае необходимости усиления узла сопряжения подколонника с фундаментом при возрастании внецентренных нагрузок подколонник целесообразно располагать ниже обреза подземной части на высоту боковых ограничительных стенок воротника, которые при устройстве щелевых фундаментов могут приниматься высотой 400—500 мм.
Такое решение позволяет усилить армирование консолей подколонника установкой отогнутой арматуры с заведением ее из подколонника в тело фундамента на длину анкеровки. Это позволяет по сравнению с ранее рассмотренным решением уменьшить высоту подколонника и соответственно глубину пионерного котлована на 10—15%. Несмотря на простоту изготовления, щелевые столбчатые фундаменты с опирающимся и заглубленным подколенниками требуют довольно большого объема земляных работ.
Объем земляных работ на устройство пионерного котлована может быть сведен к минимуму в конструктивных решениях фундаментов из монолитного железобетона с совмещенным обрезом подколонника и подземной части, т. е. при расположении подколонника в теле фундамента. В то же время необходимо отметить, что технология производства работ при реализации этого решения более трудоемка, поскольку перед разработкой основной траншеи требуется устройство дополнительного приямка для размещения опалубки и армокаркасов подколонника ниже отметки планировки.
Однако при разработке эффективной технологии, например, включающей вытрамбовывание или бурение приямка, оно может получить довольно широкое применение. В ряде случаев может оказаться целесообразным увеличение ширины подземной части фундамента до размеров ширины подколонника. Этот прием позволяет расположить подколонник в теле фундамента и исключить устройство дополнительного приямка. Такое решение оправдано при ширине подколонника 900—1000 мм я небольшой глубине заложения фундамента.
При необходимости установки двухветвевых или спаренных колонн, а также прет действии больших внецентренных нагрузок, размеры подколонннков, как правило,, превышают возможность их размещения и армирования на фундаментах из одиночных прямоугольных стенок. Или же требуется большая, несоразмерная несущей способности по грунту, толщина подземной части фундамента, что приводит к значительному перерасходу бетона. В этих случаях возможно применение конструкций фундаментов из сдвоенных прямоугольных стенок с общим подколонником — ростверком.
Одним из наиболее эффективных конструктивных решений столбчатых щелевых фундаментов является фундамент крестообразной формы. К его преимуществам, по сравнению с фундаментами? прямоугольной формы, можно отнести значительно более удобное расположение и армирование подколонника, возможность применения небольшой толщины стенок подземной части и возможность использования минимального количества типоразмеров фундаментов в плане при. большом диапазоне внешних нагрузок. Кроме того, у крестообразных фундаментов глубина траншеи в одном из направлений может назначаться переменной. Это позволяет с одной стороны — регулировать требуемую несущую способность и устойчивость фундамента по грунту основания, а с другой — обеспечивать прочность сопряжения подколонника с подземной частью.
Для этого высота стенки, располагаемой в плоскости действия минимальных моментов и поперечных сил» может назначаться соответствующей высоте консоли, обеспечивающей прочность сопряжения подколонника с фундаментом и глубину анкеровки арматуры. Развитая боковая поверхность и соответственно высокая удельная несущая способность по грунту при небольшой высоте подколонника повышают технико-экономические показатели этого конструктивного решения.
Разработку крестообразных траншей целесообразна осуществлять плоским грейферным ковшом с длиной захвата 2—2,5 м. При планировке строительной площадки подсыпкой может найти применение столбчатый фундамент с опирающимся удлиненным подколонником консольного типа. Под стальные колонны щелевые фундаменты могут . конструироваться как с подколонником, так и без подколонников в зависимости от базы колонны, схемы расположения анкерных болтов и характера действующих нагрузок. Объем земляных работ и расход материалов у фундаментов под стальные и железобетонные колонны примерно одинаковый.
В каркасных зданиях и сооружениях с небольшими внецентреннымн нагрузками, например, в многоэтажных каркасно-панельных зданиях связевой системы и других, могут найти применение облегченные узлы сопряжения железобетонных колонн с фундаментами. Облегченные узлы сопряжения могут быть выполнены при помощи сварки выпусков арматурных стержней, установки закладных деталей с последующим замоноличиванием стыка и установкой арматурных стержней в процессе бетонирования фундаментов и последующего замоноличивания стыков осуществляемые с помощью:
а — спарки выпусков арматурных стержней;
б — установки закладных деталей;
в — заделки, арматурных стержней.
Облегченные узлы сопряжения позволяют уменьшить расход материалов, упростить производство работ и практически устранить объем земляных работ, требующий обратной засыпки.
Способами повышения эффективности конструктивных решений щелевых фундаментов неглубокого заложения из монолитного бетона, основным недостатком которых является относительно высокий расход бетона из-за снижения их несущей способности в результате разуплотнения грунта при разработке траншеи, могут служить известные приемы и технологии:
1) пустообразования в теле фундамента с последующим заполнением пустот шлакоцементными, грунтоцементными и другими материалами
2) заполнение траншеи бутобетоном ниже расчетной длины заделки арматурных стержней;
3) уплотнение дна траншеи трамбованием;
4) уплотнение дна траншеи посредством втрамбовывания щебня;
5) устройство щелевых фундаментов в вытрамбованных траншеях.
Первые 4 приема не приводят к существенному изменению конструкции фундамента и могут быть использованы в проектных решениях в зависимости от экономической целесообразности для всех фундаментов сооружений или их части при локальном изменении грунтовых условий на строительной площадке.
Устройство щелевых фундаментов в вытрамбованных траншеях требует применения специальной технологии, которая в значительной степени влияет и на конструкции фундаментов. Как показал опыт применения фундаментов в вытрамбованных котлованах в прочноструктурных грунтах Среднего Урала, наряду с достаточно высокими конструктивными преимуществами эти фундаменты в указанных условиях имеют высокую энергоемкость, обусловленную прочной природной структурой грунтов основания и его слабой сжимаемостью. Как уже отмечалось, при устройстве щелевых фундаментов в процессе разработки траншеи происходит разуплотнение грунта. В связи с этим представляется целесообразным в прочноструктурных необводненных грунтах совмещение в одном потоке устройства лидерной траншеи способом экскавации грунта с последующим доуплотнением ее стенок и дна и одновременным формованием способом вытрамбовывания нижней части и подколонника фундамента. В процессе совершенствования технологии строительства возможно совмещение 2 операций в одном механизме за счет повышения его энерговооруженности. Но эти вопросы требуют специальных исследований. В сильно- и средиесжимаемых грунтах возможно устройство щелевых фундаментов способом вытрамбовывания без устройства лидерных траншей.
Ленточные фундаменты под стены зданий и сооружений целесообразно устраивать из монолитного бетона или железобетона ниже пола подвала или техподполья, а при их отсутствии — от отметки поверхностной планировки строительной площадки. Выше пола подвала в настоящее время более целесообразно применение типовых конструктивных решений. При соответствующей вертикальной привязке сооружения технически возможно устройство щелевых ленточных фундаментов и выше пола подвала. - Хотя в этом случае возникает ряд вопросов, решение которых существенно отражается на технико-экономических показателях. Например, толщина внутренних стен выше отметки пола подвала, как правило, уменьшается. В результате чего при однотипном оборудовании возможны 2 варианта: либо предусмотреть толщину стен и фундаментов одинаковой, либо выше пола подвала использовать пустообразователи, устанавливая их в траншею до ее "бетонирования.
Первый вариант ведет к неоправданно высокой материалоемкости, а второй — к увеличению трудоемкости и сроков строительства. Кроме того, опыт проектирования свидетельствует о том, что устройство щелевых фундаментов выше пола подвала недостаточно эффективно также из-за трудностей последующего производства земляных работ и наличия большого количества отверстий и проемов в стенах подвала. Щелевые ленточные фундаменты под стены могут быть выполнены в виде прерывистых или сплошных лент, а также в виде лепт, усиленных монолитными железобетонными поясами. В каркасных зданиях часто возникает необходимость устройства подземных конструкций и помещений ниже уровня пола подвала. В случае их примыкания к наружным и внутренним рядам колонн следует предусматривать конструкции щелевых ленточных фундаментов, совмещающих функции несущих и ограждающих конструкций.
Такое конструктивное решение фактически представляет собой набор столбчатых фундаментов, располагаемых поперек рамы каркаса. Отличие от столбчатых фундаментов здесь, главным образом, в армировании фундаментов и способе заполнения участков между подколонника ми, выполняющими функции подпорной стенки. Заполнение этих участков может быть выполнено из монолитного железобетона одновременно с бетонированием подколонников, сборными фундаментными блоками или блоками УДБ с установкой в пустоты армокаркасов и последующим их бетонированием. Как и при устройстве столбчатых фундаментов, эффективность возведения щелевых ленточных фундаментов может быть повышена в результате применения способа вытрамбовывания узких траншей с последующим их заполнением монолитным бетоном.
При этом в сильно- и среднесжимаемых грунтах целесообразно устройство щелевых ленточных фундаментов способом вытрамбовывания без устройства лидерных траншей, а в малосжимаемых грунтах — способом доуплотнения траншей. Щелевые ленточные фундаменты из монолитного бетона, железобетона или бутобетона могут найти широкое применение в сельскохозяйственном и индивидуальном жилишном строительстве.