Конструкции сборных фундаментов в открытых котлованах
Обновлено: 16.05.2024
Основания и фундаменты глава 12 фундаменты, возводимые в открытых котлованах
В чем преимущество применения метода нелинейной механики грунтов?
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
В ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНАХ
12.1. Основные положения по проектированию фундаментов
Важной составной частью проектирования фундаментов является расчет основания. При этом, в практике проектирования фундаментов необходимо обязательно учитывать их совместную работу, рассматривая фундамент и основание как единую систему.
Расчету фундаментов предшествуют комплексные исследования грунтов оснований с целью определения расчетного сопротивления грунта, которое должно превышать давление, передаваемое на основание (), как обязательное условие по обеспечению нормальной работы его под нагрузкой, а деформации грунтов, слагающих основание, не должны превышать допустимых пределов.
Дисперсный грунт, используемый в качестве оснований для фундаментов зданий и сооружений, является сложной средой. Достаточно упомянуть о том, что для полноценной строительной оценки грунта основания в процессе его исследований необходимо получить до десятка показателей, в то время как при проектировании элементов зданий из конструкционных материалов количество этих показателей в несколько раз меньше.
Проектирование фундаментов проводится в соответствии с действующими строительными нормами, руководствуясь которыми, выполняют расчеты оснований по деформациям и несущей способности, в том числе при возведении строительных объектов в сложных инженерно-геологических условиях [5].
Проектирование сводится к определению глубины заложения фундаментов, их геометрических размеров, а также осадок в связи с деформацией грунтов под нагрузкой [42].
При действии значительных горизонтальных нагрузок на фундаменты производят также расчеты, связанные с обеспечением прочности и устойчивости оснований.
В грунтовых массивах со временем могут изменяться значения физических и механических характеристик грунтов, например, в случае подъема уровня подземных вод. Эти процессы также необходимо учитывать при проектировании оснований и фундаментов.
Одним из главных этапов проектирования оснований является определение категории сложности инженерно-геологических условий на площадке строительства.
12.2. Классификация инженерно-геологических условий
В зависимости от геоморфологических, геологических и гидрогеологических факторов различают три категории сложности инженерно-геологических условий.
Площадка первой ( простой ) категории сложности располагается в пределах одного геоморфологического элемента; поверхность участка горизонтальная, не расчлененная; грунтовые пласты залегают горизонтально или слабонаклонно, толщина их выдержана по простиранию; подземные воды отсутствуют или имеется выдержанный горизонт с однородным химическим составом.
Строительная площадка второй ( средней ) категории сложности включает несколько геоморфологических элементов одного генезиса; поверхность наклонная, слаборасчлененная; в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой располагается более четырех различных по литологии слоев, залегающих наклонно или с выклиниванием, мощность слоев изменяется по простиранию закономерно; подземные воды имеют два или больше выдержанных горизонтов с неоднородным химическим составом или обладающих напором.
Площадки третьей категории характеризуются сложными инженерно-геологическими условиями: наличием нескольких геоморфологических элементов разного генезиса, поверхность сильнорасчлененная; в пределах сжимаемой толщи располагается более четырех различных по литологии слоев, мощность которых изменяется по простиранию, возможно линзовидное залегание слоев; горизонты подземных вод не выдержаны по простиранию и мощности, имеют неоднородный химический состав, местами возможно сложное чередование водоносных и водоупорных пород, напоры подземных вод изменяются по простиранию. Кроме того, к площадкам третьей категории сложности относят также строительные площадки в условиях залегания структурно-неустойчивых грунтов (просадочных, набухающих).
12.3. Инженерно-геологические элементы грунтовой толщи
В ходе инженерных изысканий грунтовую толщу принято делить на инженерно-геологические элементы, представляющие собой генетически однородные геологические разновидности (слои, прослои, линзы), для которых основные показатели физико-механических свойств грунтов могут быть приняты усредненными как в плане и по глубине простирания.
Границы между инженерно-геологическими элементами предварительно устанавливают по внешним признакам (состав, цвет, текстурные особенности, уровень подземных вод) в процессе бурения. Затем на основании анализа показателей физических свойств уточняют границы инженерно-геологических элементов. При этом используются данные зондирования, геофизические методы.
В ходе анализа пространственной изменчивости свойств грунтов используют физические показатели, тесно связанные с механическими параметрами грунта: для песков – зерновой состав и коэффициент пористости; для пылевато-глинистых грунтов – число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости, влажность. При наличии более шести определений можно делать вывод об изменчивости механических параметров грунта. Оценку пространственной изменчивости пластов грунта осуществляют визуально, графически или в результате статистического анализа.
В процессе проектирования возможна корректировка изменения параметров грунтовой толщи. Так, если фундаменты закладывают ниже глубины промерзания грунта, то слои, залегающие выше глубины промерзания, объединяют в один инженерно-геологический элемент. Если проектируемое сооружение воспринимает значительные горизонтальные воздействия, то тонкий слабый глинистый прослоек, заключенный между слоями других грунтов, выделяют в отдельный инженерно-геологический элемент, поскольку возможен сдвиг сооружения по слабому прослойку. Следовательно, в расчетах по несущей способности данные о прочностных характеристиках прослойков необходимы. С другой стороны, если влияние такого прослойка на осадку сооружения несущественна, то в расчетах по деформациям не обязательно выделять прослоек в отдельный инженерно-геологический элемент.
Насколько равномерна толщина инженерно-геологических элементов, слагающих грунтовую толщу, наглядно показывают инженерно-геологические разрезы.
Для каждого выделенного инженерно-геологического элемента определяют нормативные и вычисляют расчетные характеристики фи-
зико-механических свойств грунтов.
По результатам инженерно-геологических изысканий определяется оценка однородности основания в границах проектируемого сооружения.
12.4. Инженерная оценка однородности оснований
Действующие нормативные документы для оценки неоднородности оснований рекомендуют использовать такие критерии: - показатель изменчивости сжимаемости основания и соответствующий ему в пределах плана сооружения модуль деформации . Для определения значений и нужно вычислить средние по глубине модули деформации на различных по геоморфологическому строению участках строительной площадки. Средний по глубине модуль деформации зависит от мощности и сжимаемости пластов грунта, слагающих активную зону деформирования, а также от характера уплотняющих напряжений под подошвой фундамента.
Критерий находят по формуле
где и - соответственно максимальное и минимальное значения среднего по глубине модуля деформации в пределах плана сооружения.
Критерий определяют с помощью формулы
где и - соответственно средний по глубине модуль деформации и площадь -го характерного по геологическому строению участка, на которые разбивается площадка строительства (рис.12.1); - площадь, занимаемая зданием (сооружением).
В зависимости от сочетания критериев и регламентируется область применения типов жилых зданий и гарантируется эксплуатационная пригодность их без проведения расчетов оснований по деформациям, классифицируются условия строительства в особых грунтовых условиях.
Применение указанных критериев на первом этапе проектирования затруднено необходимостью вычисления дополнительных вертикальных напряжений и мощности сжимаемой толщи (при определении ) на стадии расчета оснований по деформациям.
Поэтому на первой стадии проектирования вводятся некоторые упрощающие предпосылки, позволяющие снизить трудоемкость определе-
Рис.12.1 - Определение осредненного модуля деформации:
а – геологический разрез; б – площадь застройки; 1 – суглинки;
2 – пылеватые пески; 3 – глина с включением гравия и щебня;
4 – контур здания
ния среднего модуля деформации . Предположим, что дополнительное напряжение изменяется по закону треугольника, а мощность сжимаемой толщи ограничивается глубиной, равной 2,5-3,0 ширины подошвы фундамента (рис.12.2). Для отдельно стоящих фундаментов мощность сжимаемой толщи можно принять равной , для ленточных - . Зная вертикальную сосредоточенную нагрузку (или погонную ) на уровне обреза фундамента и табличное расчетное сопротивление грунта несущего пласта, можно определить в первом приближении ширину подошвы фундамента:
для центрально-нагруженного ленточного
для центрально-нагруженного квадратного
Дополнительное давление по подошве фундамента . Отсюда значение среднего по глубине модуля деформации можно найти по формуле
Рис.12.2 - Определение приведенного модуля деформации:
1 – эпюра дополнительных напряжений по теории упругости;
2 – приближенная эпюра дополнительных напряжений
-дополнительное вертикальное напряжение по подошве -го грунтового слоя; -толщина -го грунтового слоя в пределах сжимаемой толщи; -модуль деформации -го пласта; -безразмерный коэффициент (для ленточных фундаментов , для квадратных-); -количество пластов грунта в пределах сжимаемой толщи.
Если на площадке строительства в пределах разведанной толщи грунта установлены подземные воды, следует дать им оценку с точки зрения влияния на строительные свойства грунтов основания и воздействия на фундаменты будущего сооружения.
12.5. Оценка степени влияния подземных вод
на строительные свойства грунтов
Анализ подземных вод, осуществляемый в ходе инженерных изысканий, позволяет получить данные, необходимые при проектировании фундаментов: уровень подземных вод в период строительства; прогноз изменения уровня их в процессе эксплуатации здания; химическая агрессивность воды по отношению к материалу фундамента.
Уровень подземных вод при возведении здания существенно влияет на глубину заложения и тип проектируемого фундамента. При заглублении подошвы фундамента ниже уровня напорных подземных вод необходимо учитывать их давление, а также предусматривать мероприятия, предупреждающие прорыв подземных вод в котлован, вспучивание его дна и всплытие сооружения.
Наибольшую сложность представляет анализ возможного подтопления территории или снижение уровня подземных вод в процессе эксплуатации здания (так называемые техногенные изменения уровня подземных вод). Прогноз вероятных изменений уровня подземных вод проводят для сооружений I и II классов на срок соответственно 25 и 15 лет. Качественную оценку потенциальной подтопляемости территории выполняют методом аналогии, сравнивая условия застраиваемой площадки с данными по конкретным подтопленным участкам (эталонам) с подобными инженерно-геологическими особенностями проектируемого здания.
Для особо ответственных зданий возможен также количественный прогноз изменения уровня подземных вод, выполняемый на основе специальных исследований с использованием методов математического и физического моделирования.
Возможная обводняемость территории обусловливает необходимость проведения специальных мероприятий в связи с ожидаемым снижением несущей способности грунтов, неравномерными осадками или просадками. С другой стороны, снижение уровня воды вызывает дополнительную осадку фундамента за счет снятия взвешивающего действия воды и соответствующего возрастания напряжений от собственного веса грунта.
При химической агрессивности подземных вод или промышленных стоков необходима антикоррозионная защита материала фундамента.
12.6. Определение минимально возможной глубины
Для зданий и сооружений минимально возможная глубина заложения фундаментов определяется конструктивными особенностями здания и сезонными изменениями уровня подземных вод, глубиной промерзания грунта и пр. [43].
Во всех случаях минимальная глубина заложения фундаментов должна быть не менее 0,5 м. Если по архитектурно-планировочным соображениям в здании необходим подвал, то минимальную глубину заложения фундаментов устанавливают на 0,5…0,7 м ниже пола подвала. Следует также учитывать глубину заложения технологических коммуникаций. В некоторых случаях конструктивная высота фундамента (например, по условиям заделки анкерных болтов) определяет минимально возможную глубину заложения фундамента.
Глубину заложения фундаментов, исходя из недопущения промерзания пучинистого грунта под подошвой фундамента, определяют по табл.12.1 и 12.2. Она зависит от расчетной глубины промерзания, теплового режима, конструктивных особенностей зданий, грунтовых условий и уровня подземных вод [5, 44].
Расчетная глубина промерзания
где - нормативная глубина промерзания; - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания
грунта у фундаментов наружных стен (табл.12.3).
Таблица 12.1 - Глубина заложения фундамента при промерзании грунтов, зависящая от особенностей подземной части здания
Глубина заложения фундамента
под стены и колонны
Независимо от глубины промерзания
с теплым подвалом (подпольем)
Независимо от глубины промерзания
с холодным подвалом (подпольем)
По табл.12.2, считая глубину промерзания от пола подвала
То же, считая глубину промерзания от уровня планировки
То же, считая глубину промерзания от уровня планировки
Примечание. Глубину заложения наружных фундаментов отапливаемых зданий и сооружений допускается назначать независимо от при условии, если:
фундаменты опираются на мелкие пески и специальными исследованиями установлено, что они не проявляют пучинистых свойств;
специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную пригодность здания или сооружения.
Согласно СНиП 2.02.01-83 [5], нормативная глубина промерзания грунта определяется такими способами:
как среднее значение из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов по данным наблюдений за период не менее 10 лет;
на основе теплотехнического расчета [44].
Из рекомендуемых СНиП 2.02.01-83 [5, 44] способов в практике в основном используется формула
где M t -безразмерный коэффициент, равный сумме абсолютных среднемесячных отрицательных температур в районе строительства.
Таблица 12.2 - Глубина заложения фундамента в зависимости от
уровня подземных вод и вида грунтов в условиях
их возможного промерзания
под подошвой фундамента
Зависимость глубины заложения фундамента от уровня подземных вод , м, при
Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности
Пески мелкие и пылеваты
Супеси с показателем текучести:
Суглинки, глины, а также крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым
заполнителем при показателе текучести грунта или заполнителя:
Таблица 12.3 - Коэффициент влияния теплового режима здания
при расчетной среднесуточной температуре воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам, С
Без подвала с полами, устраиваемыми:
на лагах по грунту
по утепленному цокольному перекрытию
С подвалом или техническим подпольем
Примечания: 1. В табл.12.3 указаны значения при вылете наружного ребра подошвы фундамента от внешней грани стены до 0,5 м; при вылете 1,5 м и более значения повышаются на 0,1, но не более чем до значения ; при промежуточной величине вылета определяется интерполяцией.
2. Для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых зданий .
Предварительно принимают по этой формуле, предполагая, что вся зона промерзания сложена одним видом грунта с величиной , равной среднему значению из учитываемых величин . Полученное значение используют для уточнения нормативной глубины промерзания и средневзвешенного значения , учитывая фактическую толщину каждого слоя грунта с различными значениями . Применение формулы ограничивается нормативной глубиной промерзания 2,5 м. Установив нормативную глубину промерзания по формуле (12.6), вычисляют расчетную глубину сезонного промерзания следующим образом. По табл.12.1 (в зависимости от теплового режима здания, наличия или отсутствия подвала) и по табл.12.2 (вида грунта, его состояния и уровня подземных вод) определяют глубину заложения подошвы фундаментов по условиям промерзания грунтов.
12.7. Проектирование фундаментов мелкого заложения
(в открытых котлованах)
В ходе анализа инженерно-геологических условий площадки, конструктивных и объемно-планировочных особенностей здания, местных условий строительства и технико-экономических оценок, отражающих опыт проектирования, устанавливают возможные типы и глубины заложения фундаментов проектируемого здания (сооружения). Если при этом будет установлена целесообразность применения фундаментов мелкого заложения, то рассматривают возможные их конструктивные формы. В зависимости от назначения здания, конструктивных решений верхнего строения, действующих нагрузок и технико-экономических рекомендаций принимают тип фундамента и определяют его основные размеры (уточняют глубину заложения в зависимости от конструктивных особенностей принятого фундамента и рассчитывают размеры подошвы), проверяют достаточность габаритных размеров фундамента, выполняя расчеты грунтового основания по предельным состояниям.
12.7.1. Классификация фундаментов мелкого заложения и область их применения. Фундаменты, для которых соотношение , относят к фундаментам мелкого заложения (здесь и - соответственно глубина заложения и меньшая сторона подошвы фундамента). Полагают, что при выполнении указанного соотношения практически вся нагрузка от фундаментов, сооружаемых в котлованах, передается основанию через подошву. Фундаменты мелкого заложения делятся на два основных вида (класса): жесткие, собственные деформации которых достаточно малы по сравнению с деформациями основания, и гибкие , собственные деформации которых сопоставимы с деформациями основания. Типы фундаментов мелкого заложения приведены на рис.12.3.
Практические расчеты жестких фундаментов промышленных и гражданских зданий проводят в предположении, что контактные напряжения по подошве фундамента распределяются по линейному закону. Для гибких фундаментов расчет тела фундамента осуществляют путем решения контактной задачи с учетом характера распределения напряжений под подошвой фундамента.
К фундаментам, рассчитываемым в предположении линейного
распределения контактных напряжений, относят ленточные и прерывистые фундаменты под стены (рис.12.3, а, б ) и отдельные фундаменты под колонны (рис.12.3, в ).
Целесообразность применения ленточных фундаментов в удовлетворительных инженерно-геологических условиях определяется отношением требуемой площади фундаментов к площади контура здания. Если это отношение, обусловленное нагрузками и механическими свойствами грунтов, не превышает 50…60 %, применяют ленточные фундаменты. В противном случае более экономичны плитные или свайные фундаменты. При использовании ленточных фундаментов в крупнопанельных зданиях регламентируется также изменчивость основания по сжимаемости. Необходимо, чтобы при ; ; , где - средний модуль деформации основания в пределах площади застройки, МПа; - степень изменчивости сжимаемости основания; и - соответственно максимальное и минимальное значения приведенного по глубине модуля деформации в пределах контура здания. Значения , и принимают в соответствии с приведенными выше рекомендациями. Указанные критерии вводят из-за высокой чувствительности конструкций крупнопанельных зданий к неравномерным деформациям.
Отдельно стоящие фундаменты под колонны и столбы в удовлетворительных грунтовых условиях используются повсеместно, но если между гранями подошвы смежных фундаментов расстояние составляет , то экономичнее применять ленточные или плитные фундаменты (рис.12.3, д, е ).
К гибким фундаментам относятся: ленточные фундаменты под колонны (рис.12.3, г ), из перекрестных лент (рис.12.3, д ) и плитные (рис.12.3, е ). Ленточные фундаменты под колонны и фундаменты из перекрестных лент целесообразны, если при значительных нагрузках на каждую опору (>2000 кН) отдельные фундаменты имеют настолько развитые подошвы, что они смыкаются друг с другом. Фундаменты из перекрестных лент рациональны при слабых неоднородных напластованиях (с ), поскольку такие фундаменты предотвращают неравномерные деформации.
Как уже отмечалось, плитные фундаменты экономически целесообразны, если суммарная расчетная площадь отдельно стоящих или ленточных фундаментов превышает 50…60 % общей площади застройки. Необходимость в них возникает также в случаях, когда основание характеризуется неравномерной сжимаемостью или плита используется в качестве конструктивного элемента гидроизоляции при высоком стоянии уровня подземных вод.
Рис.12.3 -Типы фундаментов мелкого заложения: а – ленточный
под стены непрерывный; б – ленточный под стены прерывистый;
в - отдельно стоящий под колонну; г – ленточный под колонны;
д – из перекрестных лент; е – плитный
12.7.2. Ленточные фундаменты (конструктивные решения). При конструктивном оформлении ленточных фундаментов следует учитывать: материал фундаментов, инженерно-геологические условия, нагрузки и конструктивные решения надземной части здания. Малонагруженные фундаменты одно- и двухэтажных зданий могут выполняться без уширения к подошве (рис.12.4), сборные фундаменты часто устраивают с разрывами между стеновыми блоками (рис.12.4, б ).
При возрастании нагрузок на фундамент необходимо увеличивать размеры подошвы. В этом случае бутобетонные и бутовые фундаменты, материал которых способен воспринять лишь незначительные растягивающие напряжения, выполняют ступенчатыми (рис.12.5). Высота уступов определяется технологией изготовления и конструктивными требованиями и составляет: для бутобетона – 30, бутовой кладки – 30…35 см. Соотношения высоты уступа к его ширине принимаются такими (табл.12.4), чтобы в теле фундамента не возникали чрезмерные растягивающие напряжения.
Рис.12.4 - Фундаменты без уширения к подошве
для одно- и двухэтажных зданий:
а – бутовые и бутобетонные;
б – из сборных стеновых блоков;
1 – два слоя толя или гидроизола на битумной мастике;
2 – обмазка горячим битумом за два раза;
3 – утрамбованный грунт;
4 – кирпичная кладка
При значительных нагрузках или относительно слабых грунтах ленточные фундаменты устанавливают из двух частей: уширенной плитной и вертикальной, передающей усилия от стены к подошве. Среди таких фундаментов, выполняемых в железобетоне, широко распространены сборные ленточные фундаменты (рис.12.6).
Рис.12.5 - Бутовые и бутобетонные фундаменты с уступами:
а – под наружную стену; б – под внутреннюю стену;
1 – два слоя толя или гидроизола на битумной мастике;
2 - цементная стяжка; 3 – обмазка горячим битумом;
4 – засыпка по теплотехническому расчету
(размеры в скобках даны для бутобетонных фундаментов)
Таблица 12.4 - Минимальное отношение высоты уступа
к его ширине для бутобетонных и бутовых фундаментов
Минимальные значения отношения при давлениях на подошве фундамента, МПа
Железобетонные фундаментные плиты выпускают в соответствии с ГОСТ 13580-85 (табл.12.5). Марка фундаментной плиты обозначается буквами ФЛ (фундамент ленточный) и цифрами, указывающими ширину и длину плиты в дециметрах. Типовые фундаментные плиты серии 1.112-5 изготавливают из бетона класса В10…В25, армирование их осуществляют сетками диаметром 6…14 мм класса А-III. Количество арматуры назначают исходя из расчетной схемы плиты, работающей как консоль от отпора грунта (рис.12.6).
Как следует из табл.12.5, наибольшая ширина плиты по ГОСТ 13580-85 составляет 3,2 м. Для возведения зданий повышенной этажности с широким шагом используют ребристые блоки большей ширины (рис.12.7) с размерами в плане 4,0х2,4 м и 4,0х1,6 м, которые рассчитаны на восприятие расчетных нагрузок 1500 кН/м при давлении на грунт 300 кПа.
В практике фундаментостроения применяются облегченные фундаментные плиты с вырезами по углам (табл.12.6). Марка плит состоит из буквы Ф (фундаментная плита) и цифр, обозначающих ширину подошвы и длину плиты в дециметрах. Дополнительно в наименование плиты (через дефис) включают: значение давления по подошве плиты, на которое она рассчитана, и буквенный индекс – В (плита с вырезом). Экономия материалов при использовании облегченных плит по сравнению с типовыми составляет примерно 10 %.
Рис.12.6 - Сборные ленточные фундаменты: а – для кирпичных и блочных стен; б – для крупнопанельных стен; 1 – фундаментные плиты; 2 – стеновые фундаментные блоки; 3 – стеновые панели подвала
Раздел 2. Фундаменты в открытых котлованах на естественном основании (фундаменты мелкого заложения)
4) при расчёте не учитывают сопротивление грунта по боковой поверхности.
2.1. Классификация ФМЗ.
1) по материалу:
2) по конструкции:
а) ленточные фундаменты под стены зданий или под ряд колонн;
б) отдельные (столбчатые) фундаменты под стойки и колонны
в) сплошные фундаменты под всем сооружением в виде железо
бетонных плит под сетку колонн или стены:
г) массивные фундаменты – в виде массива под всем небольшим
в плане сооружением (дымовая труба, доменная печь, мостовая
3) по индустриальности изготовления (степени сборности)
а) сборные фундаменты;
б) монолитные фундаменты;
в) сборномонолитные фундаменты;
4) по характеру работы материала
В железобетонных фундаментах нижняя плоская или ступенчатая часть называется плитой, а верхняя – фундаментной стеной у ленточных фундаментов или подколонником у столбчатых фундаментов. Пространство в верхней части подколонников, служащее для установки колонны, называется стаканом.
2.2. Проектирование фундаментов мелкого заложения.
Заключается в выборе типа и материала фундамента, определении его размеров и армирования.
2.2.1. Исходные данные для проектирования ФМЗ:
1) проект надфундаментной части сооружения;
2) данные инженерно-геологических изысканий;
3) данные о климате и гидрологии;
4) данные о действующих нагрузках;
5) топографическая съёмка.
2.2.2. Последовательность проектирования ФМЗ:
1) определение действующих нагрузок;
2) оценка грунтов основания;
3) выбор отметки обреза фундамента;
4) выбор глубины заложения фундамента;
5) определение размеров подошвы фундамента расчётами по
предельным состояниям основания;
6) конструирование и расчёт тела фундамента.
Основными размерами фундамента являются его высота и размеры подошвы в плане.
После определения размеров подошвы производят конструирование жёсткого бетонного фундамента. В результате этого устанавливают детальные размеры фундамента по высоте (его профиль) и определяют армирование железобетонного фундамента.
2.2.3. Оценка грунтов основания
Грунты основания оцениваются по несущей способности (прочности) и сжимаемости.
Несущую способность грунтов оценивают послойно, сверху вниз, по геологическим разрезам или грунтовым колонкам, устанавливая для кровли каждого слоя расчётные сопротивления R грунтов сжатию (СНиП 2.02.01 – 83. Основания зданий и сооружений). Для слоя, залегающего непосредственно у поверхности, расчётные сопротивления первоначально определяют на глубине, соответствующей минимальной глубине заложения фундамента.
Сжимаемость грунтов предварительно оценивается путём анализа значений модулей деформации грунтов Е.
По результатам сравнительного анализа R и E определяется несущий слой и выбирается тип фундамента, а также назначается его глубина заложения.
2.2.4. Выбор отметки обреза фундамента
Отметку обреза фундамента обычно назначают на 15 – 20 см ниже поверхности грунта. Для фундамента, расположенного внутри сооружения, обрез должен быть заглублен ниже уровня пола первого этажа, а для зданий с подвалами – ниже пола подвала.
2.2.5. Выбор глубины заложения фундамента
На выбор глубины заложения фундаментов влияет ряд факторов:
1) учёт глубины промерзания пучинистых грунтов.
При расположении подошвы фундамента в зоне промерзания в случае пучинистых грунтов на фундамент могут действовать силы пучения, нормальные к его подошве и касательные к боковой поверхности. Наибольшую опасность для сооружения представляют нормальные силы пучения. Если эти силы превысят давление на грунт от сооружения, то в процессе промерзания грунтов могут возникнуть значительные и неравномерные подъёмы, а при оттаивании – неравномерные осадки.
ния (СНиП 2.02.01 – 83*); d1 – глубина заложения фундамента.
К пучинистым грунтам относятся:
2) учёт инженерно-геологических условий строительной площадки:
d1 – выбирается в зависимости от прочности и сжимаемости грунтов.
d1 обычно выбирают с
учётом других условий
подошву фундамента заглубляют в первый от поверхности прочный грунт.
(б) – абсолютно надёжный способ, но предполагает большой объём земляных работ и большой расход бетона.
В случае (а) необходимо выполнить проверку слабого подстилающего слоя
Если условие 2.1 не выполняется, то размеры подошвы фундамента нужно считать из условия на границе слабого слоя, или укреплять слабый слой.
3) учёт конструктивных особенностей:
Рис. 5. Фундамент в здании с подвалом: d1 – глубина
заложения фундамента; db – высота подвальной стены;
hn – толщина пола подвала; dф – высота фундаментной
Рис.6. Стаканное сопряжение колонны с фундаментом:
кана; hдн – толщина днища стакана.
2.3. Определение размеров подошв фундаментов расчётом по второй группе предельных состояний.
Главным положением при проектировании оснований, т.е. при выборе основных размеров подошвы фундаментов, является ограничение неравномерностей осадок, приводящих к деформации конструкций сооружений.
Ограничение величины неравномерности осадок:
2.4 Расчётное сопротивление грунта.
R – расчётное сопротивление грунта основания, при котором развивающиеся зоны пластических деформаций грунта (зоны местного нарушения устойчивости) незначительно нарушают линейную зависимость между деформациями.
2.5. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов по расчётным сопротивлениям.
2.5.1. Исходная задача
Рис.7. Расчётная схема
2.5.2. Ленточные фундаменты
P' – погонная нагрузка
Рис.8. Расчётная схема
2.5.3. Прямоугольные фундаменты
Рис.9. Расчётная схема
Задаваясь одним из размеров определяем второй:
(вmin – из условия размещения несущей надземной конструкции)
Из полученных пар размеров подошвы выбираем оптимальный вариант из условия размещения надфундаментной части и CА = Аmin.
2.6. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов.
2.6.1. Выбор положения центра подошвы фундамента при внецентренной нагрузке.
При проектировании фундаментов на нескальных грунтах положение равнодействующей нагрузок относительно центра тяжести подошвы фундамента ограничивают условием
M – момент относительно главной центральной оси подошвы фундамента,
N – вертикальное усилие на подошву фундамента,
W – момент сопротивления подошвы фундамента,
А – площадь подошвы фундамента,
Условие (2.3) можно удовлетворить выбором положения центра тяжести подошвы фундамента относительно вертикальной оси несущей конструкции.
ния центра подошвы фундамента
Значение смещения f при котором напряжения под подошвой фундамента будут равномерными, получим приравняв .
Также принимаем , т.к. эта величина очень мала.
При проектировании фундаментов на нескальных грунтах положение центра подошвы фундамента целесообразно определять при действии постоянных нагрузок, т.к. основную долю перемещений фундамента вызывают постоянные нагрузки
2.6.2. Три расчётных случая при определении размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов.
Рис.11. Расчётная схема
(3) и (4) условия необходимые для того, чтобы классифицировать фундамент по действию нагрузок. Имеются 3 случая загружения фундаментов в зависимости от условий (3) и (4).
1. Случай малых эксцентриситетов. Не выполняется условие (4). Расчёт фундамента ведётся, как центрально нагруженного, без учёта действия момента.
2. Случай средних эксцентриситетов. Одновременно выполняются условия (3) и (4). Размеры подошвы фундамента определяются из условия (1) или (2).
3. Случай больших эксцентриситетов. Не выполняется условие (3). Расчёт ведётся с учётом отрыва подошвы от грунта.
Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов ведётся в следующей последовательности:
1) размеры определяются как для случая средних эксцентриситетов;
оптимальный вариант выбирают по условию размещения надфундаментной части (должно быть а > в)
2) Затем проверяют условия (3) и (4). Если окажутся случаи малых или больших эксцентриситетов, то размеры уточняются по выражениям, соответствующим этим расчётным случаям.
2.6.3. Расчёт фундаментов в случае частичного отрыва его подошвы от грунта.
Рис.12. Расчётная схема
N – равнодействующая нагрузка
е – эксцентриситет равнодействующ.
В действительности нормальные давления под подошвой фундамента могут быть только сжимающими. В этом случае давления можно определить в предположении их распределения по закону треугольника, из условия, что объём эпюры давлений равен силе N, а центр её тяжести лежит на линии действия этой силы.
2.7. Проверка давления на подстилающий слой грунта.
Рис.13. Схема проверки давления на слабый подстилающий слой.
Если основание – слоистое напластование и R1>>R2, а d1<h1, то необходимо выполнить проверку слабого подстилающего слоя (слабого слоя).
При расчёте R2 – коэффициенты принимают для слабого слоя. Значения «в» и «d» устанавливают для условного фундамента АВСД, рассеиванием давления в пределах слоя толщиной z.
Площадь условного фундамента
, N0II – нагрузка, передаваемая конструкциями на обрез фундамента
где a = (l - в)/2 (l и в – размеры подошвы проектируемого фундамента).
2.8. Определение перемещений фундаментов.
2.8.1. Расчёт осадки фундамента методом послойного суммирова-
Этот метод позволяет учесть неоднородность основания, выра-
Рис.14. Схема к расчёту осадки методом послойного суммирования:
1 – эпюра природного давления; 2 – эпюра дополнительного давле-
ния от сооружения; 3 – эпюра природного давления уменьшенного
в пять раз; 4 – нижняя граница сжимаемой толщи.
жающуюся в изменении модуля деформации по глубине. Метод применим для расчёта осадок фундаментов, имеющих различную форму в плане.
1) определяем среднее фактическое напряжение на подошве фундамента
2) определяем осадочное напряжение
3) строим эпюру природного давления грунта
4) разбиваем толщу грунта на элементарные слои мощностью hi
5) определяем напряжения от дополнительных нагрузок по глубине сжимаемой толщи
6) строим эпюру дополнительных давлений
7) определяем положение нижней границы сжимаемой толщи (ВС)
8) определяем величину осадки
9) сравниваем расчётную осадку с предельно допустимой осадкой для данного типа сооружения
10) проверяем относительную разность осадок двух соседних фундаментов
Рис.15. Схема к расчёту относительной
2.8.2. Расчёт осадки методом линейно-деформированного слоя конечной толщины.
Этот метод применяют в двух случаях:
а) если в пределах сжимаемой толщи Hc , установленной, как и в
методе послойного суммирования, находится слой грунта с модулем деформации мПа и мощностью hc , удовлетворяющей условию
где Еп – модуль деформации слоя, залегающего ниже слоя с модулем Ес;
б) когда ширина подошвы фундамента м и модуль деформа-ции грунтов основания мПа.
где Р – среднее давление под подошвой фундамента; kc - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений за счёт влияния жёсткого подстилающего слоя; km – коэффициент, учитывающий влияние ширины подошвы фундамента; ki и ki-1 – коэффициенты принимаемые в зависимости от n=a/в и относительных глубин mi=zi/в и mi-1=zi-1/в подошвы и кровли i-го слоя соответственно.
Рис.16. Схема к расчёту осадки методом
линейно-деформированного слоя конеч-
ной толщины: 1 – фундамент; 2 – i-й слой
грунта с модулем деформации Ei; 3 – кро-
вля несжимаемого слоя.
2.8.3. Определение крена фундамента.
Крен отдельного прямоугольного фундамента при действии на него момента М определяется по обобщённой формуле:
km – коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от значений Е и в; l – сторона подошвы фундамента, в направлении которой действует момент.
2.8.4. Предельно допустимые деформации и перемещения зданий.
2.9. Расчёт устойчивости фундаментов на сдвиг по подошве.
Рис.17. Расчётная схема фундамента при
значительной горизонтальной составля-
ющей внешней нагрузки
Коэффициент запаса (устойчивости)
GfgI – расчётный вес фундамента и грунта на уступах; f – расчётный коэффициент трения материала фундамента по грунту; F0hI – расчётная величина горизонтальной составляющей силы, действующей по обрезу фундамента.
Если F0hI >> f(N0I + GfgI), сначала находят необходимый вес фундамента и грунта из выражения
Если в основании залегает пылевато-глинистый грунт, обладающий сцеплением, но имеющий малый угол внутреннего трения, подошву фундамента иногда выполняют наклонной. При скальном основании подошву делают ступенчатой.
Рис.18. Схемы фундаментов: а.) – при связ-
ном грунте в основании; б.) – при скальном
2.10. Гибкие фундаментные балки и плиты.
Гибкие фундаменты – это те, деформации изгиба которых того же порядка, что и осадки этого же фундамента. Расчёт таких фундаментов проводится с учётом совместной работы конструкции фундамента и грунтового основания. Распределение контактных реактивных давлений считается нелинейным. Линейное распределение давлений используется лишь для предварительного определения сечений конструкций.
При расчёте фундаментных конструкций на упругом основании реальное грунтовое основание представляется в виде механической модели, т.е. вводится гипотеза относительно характера деформирования основания под нагрузкой.
1. Гипотеза коэффициента постели (Фусса – Винклера).
Эта гипотеза предполагает, что осадка какой-либо точки поверхности основания «S» прямо пропорциональна давлению «P», приложенному в той же точке и не зависит от загружения соседних точек основания, т.е. грунт не обладает распределительной способностью.
Механической моделью основания служит набор не связанных между собой пружин (рис.19, а). Деформационные свойства основания описываются коэффициентом постели, не зависящим от размеров загружаемой площадки
2. Гипотеза упругого полупространства.
Эта гипотеза предполагает, что основание работает как сплошная однородная упругая среда, ограниченная сверху плоскостью и бесконечно простирающаяся вниз и в стороны. Грунт обладает распределительной способностью – вокруг фундамента образуется воронка оседания (распределительная способность преувеличена). (рис. 19, б).
Рис. 19. Перемещение поверхности основания под нагрузкой: а – по ги-
потезе Винклера; б – по гипотезе упругого полупространства.
В зависимости от условий работы фундаментные конструкции рассчитывают на основе одной из трёх задач теории упругости.
1. Плоская задача. Рассчитываются протяжённые фундаментные конструкции, у которых каждая полоса шириной 1 м, выделенная в поперечном направлении, работает в одинаковых условиях с любой другой аналогичной полосой (рис.20, а). К этому классу относятся ленточные фундаменты под стены зданий, фундаменты сухих доков, протяжённые плиты под сетку колонн и т.д.
2. Осесимметричная задача. Рассчитываются круглые и кольцевые фундаментные плиты. К этому классу относятся фундаментные плиты дымовых труб, водонапорных башен, газгольдеров и т.д. (рис. 20, б).
3. Пространственная задача. Рассчитываются фундаменты, работу которых даже приближённо нельзя описать условиями плоской или осесимметричной задачи. К этому классу относятся фундаменты под колонны в виде одиночных или перекрёстных лент, фундаментные балки, прямоугольные фундаментные плиты и т.д. (рис.20, в,г).
Рис. 20. Различие условий работы конструкций на упругом основании: а – плоская задача; б – осесимметричная задача; в, г - пространственная задача.
Используемые для расчёта фундаментных конструкций методы зависят от принятой механической модели основания и условий работы конструкции (плоская, осесимметричная или пространственная задача). Эти методы разделяются на две группы: 1) методы в которых на основе условий равновесия и условия полного примыкания подошвы балки или плиты к грунту составляются одна или две системы линейных уравнений с несколькими неизвестными; решение этих систем позволяет определить эпюру реактивных давлений, а затем уже и эпюры изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов (осадок). (Метод Б.Н.Жемочкина, метод М.И.Горбунова – Посадова); 2) методы, основанные на использовании готовых таблиц всех расчётных величин; такие таблицы составлены для большинства типов конструкций при различной их относительной гибкости, характере и размещении нагрузок.
В случае сложных конструкций, неоднородных грунтовых оснований достаточно точные решения могут быть получены только численными методами с использованием ЭВМ.
Читайте также: