Щелевые фундаменты как разновидность конструктивного решения фундаментов массового назначения, устраиваемого способом «стена в грунте», были разработаны на Среднем Урале в 1982 г.
В последующие годы исследования были направлены на совершенствование конструктивных решений, уточнение методов расчета, отработку способов производства работ и внедрение щелевых фундаментов. Начаты исследования сборно-монолитных и сборных конструкций фундаментов. Внедрение щелевых фундаментов на начальном этапе сдерживалось из-за отсутствия специализированной землеройной техники и неприспособленности общестроительных землеройных механизмов к разработке узких траншей.
Современный парк общестроительных экскаваторов, который можно было бы использовать для устройства щелевых фундаментов, ориентирован, главным образом, для разработки котлованов и соответственно неукомплектован навесным сменным оборудованием в виде грейферных и обычных ковшей шириной 400, 500, 600 , 800 мм. Существенным фактором, сдерживающим внедрение, была также высокая трудоемкость традиционной технологии способа «стена в грунте» применительно к щелевым фундаментам. Это связано, в основном, с устройством воротника для крепления краев траншеи, который в большинстве случаев представлял собой железобетонную конструкцию, имеющую, помимо большой материалоемкости, сложную собственную технологию устройства со многими малопроизводительными ручными операциями.
И, наконец, сдерживающим фактором являлась необходимость по традиционной технологии во всех без исключения случаях производить разработку траншеи под защитой глинистого раствора. Специфика грунтовых условий района строительства диктовала применение неглубоких фундаментов, что, с одной стороны, позволяло после небольшой доработки использовать общестроительную землеройную технику, а с другой — в необводненных грунтах отказаться от разработки траншей под защитой глинистого раствора. Эти особенности, а также усовершенствование конструкции воротника для крепления краев траншеи, позволили значительно повысить технико-экономические показатели и конкурентоспособность щелевых фундаментов по сравнению с известными решениями.
Для проведения исследований, отработки технологии и экспериментального строительства щелевых фундаментов был изготовлен опытный образец навесного оборудования к экскаватору ЭО-4121 в виде зауженного ковша «обратная лопата» и удлиненной промежуточной стрелы с подкосом, а также 4 комплекта инвентарного металлического воротника для поточного изготовления фундаментов. Сменное оборудование экскаватора позволяло разрабатывать траншеи шириной 600 м при глубине до 7,5 м в грунтах III—IV категории. Разработанные конструктивные решения фундаментов, оснастка и технология были рассчитаны на применение как общестроительных, так и специализированных землеройных механизмов в виде грейферных ковшей. Промышленная отработка технологии строительства была выполнена на 2 опытных площадках в характерных для Среднего Урала грунтовых условиях.
В промышленном строительстве щелевые столбчатые фундаменты впервые на Урале применены в 1984 г. Анализ инженерно-геологических условий площадки строительства и действующие величины нагрузок на фундаменты свидетельствовали о возможности устройства неглубоких фундаментов (выше уровня подземных вод) с разработкой траншей «сухим» способом. Щелевые фундаменты запроектированы в виде отдельно стоящих прямоугольных стенок с опирающимся подколонником стаканного типа. Расчетные размеры фундаментов в плане 3x0,6 м; глубина 4,2 и 5,7 м. Армирование стаканной части подколенника выполнено по аналогии с армированием монолитных фундаментов серии 1.412-1/77. Разработка траншеи производилась экскаватором ЭО-4121 с ковшом «обратная лопата» шириной 600 мм. Решение об изменении проекта с заменой фундаментов на щелевые было принято в результате анализа грунтовых условий площадки строительства и технико-экономических показателей фундаментов мелкого заложения.
При объеме железобетона фундаментов на рассматриваемом объекте свыше 3.5 тыс. м3 применение щелевых фундаментов по прогнозу позволяло существенно повысить эффективность возведения нулевого цикла. Учитывая отсутствие опыта строительства щелевых фундаментов, у подрядной строительной организации в. проекте было предусмотрено устройство опытного полигона для отработки технологии строительства и контроля соответствия расчетной несущей способноси щелевых фундаментов фактической. Армирование подколенников принималось по типовой серии. Прочность сопряжения подколонников с фундаментом обеспечивалось 2 способами: заделкой арматурных стержней в стенках стакана и под дном стакана. Это было связано с тем, что ширина подколонника превышала толщину одиночной стенки и при больших величинах внецентренных нагрузок арматуры, которую можно было расположить в 2 стенках стакана и выпустить в нижнюю часть фундамента, оказывалось недостаточно.
Технология устройства щелевых фундаментов, как и на первом объекте, предусматривала использование инвентарного металлического воротника и разработку траншеи «сухим» способом. Эти особенности технологии для конкретных условий были отработаны на опытном полигоне. Для поточного изготовления фундаментов было рекомендовано применение 4 комплектов воротника. Опытными работами также установлено, что в рассматриваемых грунтах устойчивость стенок траншей глубиной до 7 м размерами в плане 3,5x0,6 м сохранялась свыше 10 сут. По технологии разработчика — УПИ им. С. М. Кирова— Нижне-Тагильским филиалом ПТО «Прогресс» Главсрсдуралстроя выполнен ППР и технологические карты. Разработка траншей под щелевые фундаменты производилась экскаватором ЭО-4121, оборудованным ковшом «обратная лопата» шириной 600 и 1000 мм и удлиненной промежуточной стрелой. Опыт применения ковша «обратная лопата» позволил оцепить его достоинства и недостатки для выполнения данного вида работ. Наиболее существенным преимуществом такого оборудования является чистота разработки траншеи. В отличие от плоского грейферного ковша на дне траншеи практически отсутствовал разрыхленный слой грунта.
Это обстоятельство не требовало дополнительной зачистки дна траншеи и должно найти отражение в методике расчета введением повышенных коэффициентов условий работы основания. Кроме того, к преимуществу использованного оборудования сегодня можно отнести его общедоступность и взаимозаменяемость, что в условиях возможных неисправностей не останавливает поток. В то же время это оборудование имеет ряд серьезных недостатков применительно к возведению столбчатых щелевых фундаментов. В частности, у них малая глубина копания, кинематическая схема стрелы и рукоятки требует определенных навыков для получения симметричного очертания короткой траншеи, длина траншеи зависит от глубины разработки, продольное сечение траншеи имеет криволинейное очертание.
Эти недостатки заметно снижают технико-экономические показатели фундаментов. Например, экономия бетона на данном объекте всего на 5% явно занижена из-за ограниченных возможностей землеройного механизма. Для многих случаев, как показывают расчеты, расход бетона у щелевых фундаментов даже превышает на 5—10% расход бетона у фундаментов мелкого заложения. В отдельных случаях, главным образом, при благоприятных грунтовых условиях, ковш «обратная лопата» можно рекомендовать для устройства столбчатых щелевых фундаментов глубиной до 4—5 м и то лишь при отсутствии навесного грейферного оборудования, например, к тому же.
Более целесообразно применение данного оборудования при устройстве щелевых ленточных фундаментов. Согласно расчетам, выполненным трестом «Тагил-строй», фактический экономический эффект от внедрения щелевых фундаментов составил 132,6 тыс. руб. Проект щелевых фундаментов выполнен ПТО «Прогресс» Главсредуралстроя по разработкам УПИ нм. С. М. Кирова взамен фундаментов серии 0—221. Здание одноэтажное, однопролетное, размерами в плане 144X18 и с железобетонным каркасом. Нагрузки на обрезе фундаментов: N = 500 кН, М= «=100 кНм, Q = 30 кН. Грунты площадки сложены суглинками и глинами делювиальными, преимущественно в твердом и полутвердом состоянии с включением щебня и дресвы до 10—12%. Мощность слоя 5—6 м.
Подземные воды встречены на глубине 6,6—10 м. Размеры щелевых столбчатых фундаментов приняты: нижняя часть сечением 2x0,6 м, глубиной 2—4 м; подколонник сечением 1X1 м, высотой 1,35 м, опирающийся на подземную часть. Из соображений удобства разработки траншей, ориентация фундаментов принята вдоль буквенных осей (поперек рамы каркаса). В связи с невысокой сульфатно-гидрокарбонатной агрессией поверхностных и подземных вод, для фундаментов применен бетон повышенной плотности марки В6 при В/Ц не более 0,55. Расчетный экономический эффект от применения щелевых фундаментов 29 тыс. руб. при сметной стоимости сборных фундаментов 54,7 тыс. руб.