Требуемая площадь подошвы фундамента в первом приближении определяется с учетом
Обновлено: 05.05.2024
Определение глубины заложения подошвы фундамента
Глубина заложения подошвы фундамента (рис. 3.1, 3.2) должна приниматься с учетом следующих факторов:
– назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения, нагрузок и воздействий на его фундаменты;
– глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубины прокладки инженерных коммуникаций;
– существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;
– инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия слоев, склонных к скольжению, карманов выветривания, карстовых полостей и др.);
– гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации;
– возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов, трубопроводов и др.);
– глубины сезонного промерзания грунта.
Конструктивными особенностями возводимых сооружений являются:
· величина и характер нагрузок, передаваемых на фундаменты;
· наличие подземных этажей, подвалов, подполий, приямков и других устройств, заглубленных в грунт;
· характер конструкций, через которые нагрузка передается на фундаменты (колонна каркаса, инженерные болты, несущие стены, распорные конструкции);
· чувствительность надземных конструкций к возможному развитию неравномерных осадок.
Нагрузки, передаваемые надземными конструкциями на фундаменты, определяют их размеры в плане и ожидаемые осадки фундаментов при данном напластовании грунтов [14].
Положение уровня подземных вод существенно сказывается также на пучении грунтов при их промерзании, что учитывается нормами [16].
При закладке фундаментов в обводненных грунтах необходимо заранее разработать проект водопонижения на период строительства [13].
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 12 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
Нормы проектирования [16] рекомендуют расчетную глубину заложения фундаментов наружных стен и колонн принимать в зависимости от положения У.П.В. и показателя текучести пылевато-глинистых грунтов.
Определим глубину заложения фундамента для двух сечений:
· по условиям промерзания:
где – нормативная глубина промерзания; – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундаментов стен, принимается по [16, табл. 1] или по табл. 3.2.
=1,60 м
=0,6
=0,96 м
· по инженерно-геологическим условиям: d2=h1+0,5
· по конструктивным особенностям:
где - это высота подвала,
hpp – это высота пола подвала,
hpod – высота подушки
Рисунок 3.1. Глубина заложения фундамента
Предварительно за минимальную глубину заложения фундамента принимаем максимальное значение d=3,2 м
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 13 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
3.2. Определение размеров подошвы фундамента
В большинстве случаев расчет фундаментов мелкого заложения выполняется по второй группе предельных состояний. При этом используется расчетная схема основания в виде линейно-деформируемой среды. Ее применение считается допустимым при развитии зон пластических деформаций грунтов в основании на глубину не более b/4, где b – ширина подошвы фундамента. Для выполнения этого условия среднее давление под подошвой P не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по СНиП [16, формула (3.7)] или по формуле (3.7) данного пособия.
Форма и размеры фундамента в плоскости обреза определяются размерами толщины стены. Форма подошвы ленточных и столбчатых фундаментов, как правило, прямоугольная в плане. Вычерчивается расчетная схема действия нагрузок на фундамент.
Площадь подошвы нагруженного фундамента в первом приближении определяется из по формуле
,
где N0II – расчетная нагрузка, приложенная к обрезу фундамента, кН;
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 14 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
dl – глубина заложения фундамента от планировочной отметки, м.
Определим размеры подошвы фундамента двух сечений.
Сечение I: N0II =260 kH
A1= = 1,09
A2= = 1,39
3.3. Определение расчетного сопротивления грунта основания
По полученной в подразд. 3.2 величине b и глубине заложения dl,
определяем расчетное сопротивление грунта основания R, кПа,
,
b – ширина подошвы фундамента, м;
– то же, залегающих выше подошвы;
сII – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;
d1 – глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных или внутренних фундаментов от пола подвала.
R2 = R1 = 847,81 кПа
3.4. Уточнение размеров фундамента и расчетного сопротивления грунта
Исходя из полученных сопротивлений грунта пересчитаем площадь фундамента:
А1 = = 0,33 м 2
А2 = = 0,42 м 2
3.5. Конструирование фундамента
В данном проекте рассматриваются ленточные, плитные и столбчатые фундаменты зданий и сооружений из сборного бетона и железобетона, а при проектировании фундаментов под колонны предусматривается монолитный железобетон.
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 16 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
Рис. 3.2 Схема конструирования фундамента для двух сечений
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 17 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
с уточнением расчетного сопротивления грунта основания
После завершения конструирования фундамента по предварительным размерам его подошвы для определения фактического давления на основание, кроме заданных NII и MII, необходимо учесть: вес фундамента NфII и грунта NгрII, лежащего на ступеньках фундамента; изгибающий момент от бокового давления грунта (для стены подвала) M3II обратной засыпки пазух фундамента и пригрузки q3, расположенной около стены подвала (рис. 3.13) и изгибающий момент от грунта, расположенного на консолях фундамента MгрII.
Для центрально-нагруженного фундамента должно соблюдать условие
,
где Pср – среднее давление по подошве фундамента, кПа,
,
где ,
NоII – внешняя расчетная нагрузка, действующая на обрез фундамента, кН; NфII – расчетная нагрузка от веса фундамента, кН;
NгрII – расчетная нагрузка от веса грунта, пола над уступами фундамента, кН.
Pср1 = кПа
Pср2 = кПа
Условия выполняются, разница для I сечения 0,54 %, разница для второго сечения 0,54 %
К дальнейшему проектированию принимаем b =3,2 м с недогрузом 0.54 %
Краевое давление определяется по формуле
,
где MII – суммарный момент от основного сочетания расчетных нагрузок, кНм.
| ПЗ 08.03.01 4С2 |
| 18 |
| Лист |
| Дата |
| Подп. |
| № докум. |
| Лист |
| Изм |
При расчете внецентренно нагруженного фундамента методом последовательного приближения добиваются удовлетворения следующих условий:
Расчет подошвы фундамента
Определение размеров фундамента начинают с определения глубины заложения его подошвы. Глубина заложения подошвы для фундаментов неотапливаемых зданий и сооружений под наружные стены, а также колонн отапливаемых зданий принимается равной не менее глубины промерзания грунта. Глубина заложения внутренних стен и колонн отапливаемых зданий не зависит от глубины промерзания грунта и назначается по конструктивным требованиям.
При выборе глубины заложения подошвы фундамента следует учитывать конструктивные требования: наличие подвала, обеспечения глубины заделки колонны и арматуры колонны. Глубина заложения подошвы фундаментов должна быть больше толщины почвенного слоя и не менее 0,5 м от поверхности планировки или низа пола. Назначение высоты фундамента, размеров его ступеней и глубины заделки производится в соответствии с требованиями СП 50-101-2004. Фундаменты делятся на центрально-нагруженные и внецентренно-нагруженные (рис. 7.1 и 7.2).
Определение размеров подошвы центрально-нагруженного фундамента. Размеры подошвы фундамента определяются из условия
N1 – собственный вес фундамента и вес грунта на его уступах, кН;
А – площадь подошвы фундамента, м 2 ;
R – расчетное сопротивление грунта, кН/м 2 .
Если принять усредненный удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах равным 22 кН/м 3 , тогда площадь фундамента будет равна :
где d1 – глубина заложения фундамента, м.
Учитывая, что расчетное сопротивление грунта зависит от размеров фундамента, предварительный подбор подошвы ведут по расчетным сопротивлениям R=R0, принятым из табл. 7.1.
По вычисленной площади подошвы фундамента А определяют размеры его сторон. Для квадратного фундамента размер стороны а=А 0,5 . Полученные размеры подошвы округляют, вычисляют принятую площадь фундамента и производят окончательную проверку давлений по подошве по формуле 7.1 при фактическом значении R.
Рисунок 7.1 – Типы фундаментов : а- центрально-нагруженные; б – внецентренно-нагруженные; 1- колонна, 2 – отдельный фундамент; 3- кирпичная стена, 4 – ленточный фундамент, 5- расчетная полоса
Рисунок 7.2 – К расчету внецентренно-нагруженного фундамента
Таблица 7.1 – Расчетные сопротивления R0 грунтов для предварительных расчетов
| Наименование грунта | R0, кН/м 2 |
| Пески крупные средней плотности | 500 |
| Пески мелкие средней плотности маловлажные | 300 |
| Пески мелкие средней плотности влажные и насыщенные водой | 200 |
| Пески средней плотности пылеватые маловлажные | 250 |
| Супеси (e=0,5 JL=0) | 300 |
| Суглинки (e=0,7 JL=1) | 180 |
| Насыпные грунты | 100-250 |
Примечание: Значения R0 относятся к фундаментам, имеющим ширину b0=1 м и глубину заложения d0=2 м
Внецентренно-сжатые фундаменты .Все внешние силы N1, Q1, M1, действующие на фундамент, приводятся к вертикальной силе N, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента и моментам Mx и My, действующим на уровне подошвы фундамента (рис. 7.2). При этом расчеты производят на невыгодные комбинации усилий. Давление под подошвой фундамента при действии моментов в двух плоскостях определяется по формуле:
где МХ и МY – моменты внешних сил относительно осей X и Y;
WX и WY – моменты сопротивлений подошвы фундамента относительно тех же осей;
А – площадь подошвы фундамента.
При действии фундамента в одной плоскости МY и WY принимают равными 0.
Проверка основания фундамента или подбор размеров подошвы производят так, чтобы среднее давление под подошвой не превышало расчетного сопротивления R, т.е.
При этом наибольшее краевое давление при действии изгибающего момента вдоль каждой оси фундамента не должно превышать 1,2R и в угловой точке 1,5R.
Определение площади подошвы фундамента ведут в следующей последовательности По табл. 7.1 в зависимости от наименования грунта определяют R0. Определяют размеры сторон фундамента и требуемую площадь подошвы по формуле
Обычно для прямоугольных отдельных фундаментов принимают а=(1÷1,6) b. По найденным размерам уточняют значение R и по формуле 7.1 проверяют давление под подошвой фундамента. В случае, если давление фундамента превышает указанные величины, размеры подошвы фундамента корректируют и производят проверку давления заново.
Расчет ленточных фундаментов под кирпичные стены аналогичен расчету отдельных фундаментов, для чего по длине фундамента условно вырезают полосу, равную 1 м, и для нее производят определение размеров по формулам, указанным выше.
Пример:
Принимаем глубину заложения фундамента d1=dp=1,8 м. По табл. 7.1 находим предварительно расчетное сопротивление грунта R=R0=250 кН/м 2 . Тогда требуемая площадь подошвы фундамента по формуле 7.1:
сII — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;
Так как R=514 кН/м 2 в значительной мере отличается от принятых в первом расчете R=250 кН/м 2 , то производим повторный расчет.
Проверяем среднее давление на грунт под подошвой фундамента
Размеры подошвы фундамента достаточны.
1. Жесткую конструктивную схему имеют сооружения, конструкции которых приспособлены к восприятию усилий от деформаций оснований путем применения специальных мероприятий.
Определение площади подошвы и размеров уступов фундамента.
Размеры обреза фундамента в плане принимают больше размеров подфундаментной части опоры на величину с = 0,15+0,30м в каждую сторону для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производстве работ.
где: hф – высота фундамента (расстояние от его обреза до его подошвы).
b0 = 3,2 м. ширина и длина подфундаментной части опоры в плоскости
Уширение уступов фундамента hy: высота уступа 0,7 м. ширина 0,5hy м. При этом отношение ширины уступа к его высоте не превышает tg30 0 = 0,577.
Требуемая площадь подошвы фундамента в первом приближении может быть определена по формуле:
NI – расчетная вертикальная сила по обрезу фундамента ( без учета веса фундамента и грунта на его уступах);
R – расчетное сопротивление грунта основания, МПа
R0=0,10МПа – условие сопротивление грунта;
b=3,2м – ширина подошвы фундамента;
d=4м – глубина заложения фундамента, принимаемая от поверхности грунта ( на суходоле);
K1 = 0,02м -1 коэффициенты принимаемые по таблице 3.3.
Как посчитать площадь подошвы фундамента
Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параметрами, характеризующими сам фундамент и грунт-основание под ним (Рисунок 13, а).
Фундамент – это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.
Рисунок 13. Схема фундамента и основания:
А – без подсыпки грунта; Б – с подсыпкой грунта;
1 – фундамент; 2 – граница промерзания грунта; 3 – уровень грунтовых вод; 4 – сжимаемая толща грунта; 5 – насыпной грунт
Глубина заложения фундамента (Hf) – расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.
Подстилающий слой грунта (основание – слой грунта, на который опирается подошва фундамента.
Расчетная глубина промерзания (hi) – положение границы промерзания относительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нормативными документами (нормами СНиП).
Если вокруг дома сделана подсыпка, то из чего следует исходить при назначении глубины заложения фундамента?
Разумеется, грунт будет промерзать с учетом подсыпанного грунта. Поэтому и глубину заложения фундамента в этом случае следует определять дт поверхности подсыпки (Рисунок 13, б).
Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими условиями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажного глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерзания меняется в широком диапазоне (Рисунок 14).
Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:
Рисунок 14. Карта расчетной глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов части Российской Федерации.
70 см – Краснодар, Калининград, Львов.
90 см – Ростов-на-Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.
100 см – Таллинн, Харьков, Вильнюс.
120 см – Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.
140 см – Воронеж, Тверь, Санкт-Петербург, Москва, Новгород.
150 см – Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.
170 см – Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.
180 см – Уфа, Караганда, Актюбинск.
190 см – Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.
210 см – Тобольск, Кустанай, Барнаул.
220 см – Омск, Новосибирск.
Это следует учитывать
– при постоянном проживании грунт под домом зимой прогревается и расчетную глубину промерзания можно уменьшить на 15…20%;
– для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следует увеличить в 1,2 раза.
Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.
Всемирное потепление и глубина промерзания
Застройщики, решившие учесть общее потепление климата и на этом основании смягчить требования к заглублению фундамента и к утеплению стен, не совсем правы.
Крещенские морозы, накрывшие всю территорию России в январе 2006 г., держали температуру на 15…20°С ниже среднестатистической отметки, напрягая энергетиков и владельцев частных домов.
Уровень грунтовых вод (hw) – положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).
Сжимаемая толща грунта – деформируемая часть грунта, воспринимающая нагрузку от фундамента.
Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стоимость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют Недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.
Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через проведение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выполнение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возможность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.
Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)
Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта-основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.
Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) Рисунок 15), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.
График зависимости осадки фундамента от нагрузки
На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформационно-напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся перемещением и уплотнением грунта (Рисунок 16):
ОА – фаза упругих деформаций (Рисунок 16, а);
АБ – фаза уплотнения и местных сдвигов (Рисунок 16, б);
БВ – фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (Рисунок 16, в);
ВГ – фаза выпора (Рисунок 16, г);
ГД – фаза преобладающего бокового уплотнения (Рисунок 16, д).
Рисунок 16. Схема развития деформаций и перемещений грунта:
А – фаза упругих деформаций; Б – фаза уплотнения и местных сдвигов; В – фаза развития сдвигов и начало бокового уплотнения; Г – фаза выпора; Д – фаза преобладающего бокового уплотнения;
1 – нагрузка; 2 – фундамент; 3 – зона упругих деформаций; 4 – зона сдвиговых деформаций; 5 – выпор грунта; 6 – ядро уплотненного грунта; 7 – зона бокового уплотнения
Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в условиях строительства – ОА, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответствует своя фаза деформаций:
ОА – для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;
АБ – ленточный мелкозаглубленный фундамент;
АБ (конец) и БВ – столбчатый фундамент.
Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при создании свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (забивные сваи).
Расчет оснований по несущей способности (для фаз ОА, АБ, начало БВ) выполняют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:
Расчетное сопротивление глинистых грунтов и его влажность существенно зависят от пористости грунта ε (отношение объема пор к объему твердых частиц). Для новичка в строительстве этот показатель оценить в реальных условиях достаточно сложно, т.к. извлеченный грунт в свободном состоянии уже не обладает теми показателями, какие он имел на глубине, находясь под давлением.
Автором предложено связать пористость, а следовательно, и несущую способность грунта с глубиной его заложения в зависимости от того, по какую сторону границы промерзания находится подошва фундамента.
Просадочные глинистые грунты в сухом состоянии имеют повышенную пористость и вместе с тем обладают высокой механической прочностью, обусловленной сильными структурными связями (табл. 7).
После механического уплотнения просадочных грунтов природного сложения (трамбование) происходит разрушение жесткого каркаса и потеря прочности:
– прочность сухой супеси – 2,0…2,5 кг/см²;
– прочность сухого суглинка – 2,5…3,0 кг/см².
Большему значению расчетного сопротивления насыпных грунтов соответствуют крупные, средние и мелкие пески, шлаки…
Меньшему значению – пески пылеватые, супеси, суглинки, глины и золы.
Пример расчета фундамента по несущей способности грунта
Площадь подошвы фундамента определяется по формуле:
При общей длине фундамента – около 35 м ширина подошвы фундамента должна быть не менее 6,18 / 35 = 0,18 м.
Влияние сейсмичности на несущую способность грунта
Задаваясь той или иной величиной расчетного сопротивления грунта, следует учитывать, что при одновременном воздействии статической нагрузки и вибраций прочность грунта снижается. Грунт, как говорят специалисты, приобретает свойства псевдожидкого состояния.
Индивидуальные застройщики, решившие возводить сейсмостойкий фундамент своими силами, должны учитывать уменьшение несущей способности грунта при сейсмических вибрациях. Ориентировочно табличную величину расчетного сопротивления грунта необходимо уменьшить в 1,5 раза, т.е увеличить площадь подошвы фундамента тоже в 1,5 раза.
Расчетное сопротивление грунта на разной глубине
Величины расчетного сопротивления грунтов ( Ro), приведенные в таблицах 4…8, даны для глубины заложения фундамента 1,5…2 м.
Если глубина заложения фундамента меньше чем 1.5 м, то расчетное сопротивление грунта ( Rh) определяется по формуле:
Rh = 0,005 · Ro · (100 + h/3), где
h – глубина заложения фундамента в см.
Глинистый грунт на глубине 0,5 м при Ro = 4 кг/см² будет иметь расчетное сопротивление грунта Rh = 2,33 кг/см².
Если глубина заложения фундамента больше чем 2 м. то расчетное сопротивление грунта ( Rh) определяется по формуле:
Rh = Ro + k · g · (h – 200), где
h – глубина заложения фундамента в см,
g – вес столба грунта, расположенного выше глубины заложения фундамента (кг/см²);
k – коэффициент грунта (для песка – 0,25; для супеси и суглинка – 0,20; для глины – 0,15).
Глинистый грунт на глубине 3 м при Ro = 4 кг/см² будет иметь расчетное сопротивление Rh = 10,3 кг/см². Удельный вес глины – 1,4 кг/см², а вес столба глины высотой 300 см – 0,42 кг/см².
Максимальные величины расчетного сопротивления грунтов
Для того чтобы глубже понять работу оснований, полезно было бы узнать максимальные величины расчетного сопротивления грунтов, которые встречаются в реальной жизни. Такие экстремальные параметры грунта могут возникнуть только при максимальном его уплотнении, например, под нижним концом забивных свай.
Значения расчетного сопротивления сильно уплотненных грунтов Ro (пески гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые, пылевато-глинистые грунты) зависят от глубины погружения нижнего конца свай [3]:
– на глубине 3 м увеличение – в 10 раз;
– на глубине 20 м увеличение – в 15 раз;
– на глубине 35 м увеличение – в 20 раз.
Такое внушительное увеличение несущей способности грунта связано с уплотнение грунта не только непосредственно под сваей, но и вокруг неё (Рисунок 16, д).
Эти данные приведены не для того, чтобы их напрямую использовать при расчете фундамента, т.к. такое значительное увеличение расчетного сопротивления грунтов связано с их сильным уплотнением и значительными деформациями основания. Но вместе с тем, это дает застройщику определенную уверенность в том, что созданный им фундамент выдержит вес задуманного сооружения: грунт не подведет. Главное в этом – сделать грамотно все остальное: фундамент и стены.
На заметку застройщику
Фундамент, возводимый по технологии ТИСЭ, дает возможность просесть дому на 8…10 см. В реальной жизни просадка фундамента – не более 1 см. Если это учитывать, то величину расчетного сопротивления грунта можно несколько увеличить (предположительно в 1,5 раза) или использовать этот довод для создания определенного запаса по несущей способности основания.
Расчет фундамента по допустимым деформациям сооружения
Целью расчета фундамента по этой методике является оценка соответствия действующего и допустимого уровней деформаций сооружения от воздействия эксплуатационных нагрузок.
В гибких и жестких конструкциях неравномерность осадки вызывает деформации строений или ведет к изменению их положения (Рисунок 17), что может вызвать ухудшение условий эксплуатации здания или его оборудования. Кроме этого, при больших деформациях конструкция сооружения может испытывать закритические напряжения, ведущие к его разрушению.
Правильно спроектированный фундамент предполагает осадки и деформации строения, но величина их не должна превышать строительные нормы, гарантирующие полноценную эксплуатацию здания.
Рисунок 17. Формы деформации сооружений
А – прогиб; Б – выгиб; В – сдвиг; Г – крен; Д – перекос; Е – горизонтальное смещение
Виды деформаций сооружений.
Прогиб и выгиб (Рисунок 17, а, б) зданий возникает из-за неравномерной осадки основания. Наиболее опасная растянутая зона строений при прогибе находится у фундамента, при выгибе – у кровли.
Сдвиг (Рисунок 17, в) зданий возникает при увеличенной просадке основания с одной из сторон. Наиболее опасная зона строения – стена в средней зоне, где возникает большой сдвиг.
Крен (Рисунок 17, г) здания возникает при относительно большой его высоте (многоэтажный дом, башня, дымовая труба…), при высокой изгибной жесткости строения. Опасен дальнейший рост крена и последующее разрушение здания.
Перекос (Рисунок 17, д) возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения.
Горизонтальное смещение (Рисунок 17, е) возникает в фундаментах, в стенах подвалов или в подпорных стенках, загруженных горизонтальными усилиями.
Допускаемая величина осадки и крена сооружений
Допускаемая величина осадки, неравномерности в осадке и крена зависят от типа здания, его силовой схемы и используемых материалов.
Величина допустимых деформаций приведена в таблице 9.
Относительная неравномерность осадки ( σ/L) – максимальное отношение разности в осадке двух участков фундамёнта к расстоянию между этими участками. По- другому: относительный прогиб (выгиб) характеризуется отношением стрелы прогиба к длине изгибаемого участка.
Из таблицы видно, что допустимые неравномерности в осадке дома тем больше, чем менее жесткий дом. Каркасные или деревянные дома допускают относительно большую неравномерность в осадке фундамента. Каменные, более жесткие дома – нет.
Кирпичный двухэтажный дом просел в середине на 1 см (Рисунок 17, а). Расстояние по длине фундамента между точками замера – 600 см (длина дома – 12 м). Относительная неравномерность осадки – 1/600=0,0017. Допустимая неравномерность осадки для такого дома – 0,002. Поэтому осадка в 1 см для такого дома допускается.
Причины неравномерных осадок:
– неоднородность основания, сложенного из пластов различной толщины или плотности;
– переувлажнение какой-либо части основания или сложение части основания из насыпного грунта;
– неравномерное давление на основание, вызванное несоответствием площади подошвы с действующей вертикальной нагрузкой (давление на фундамент в средней части здания больше, чем под внешними стенами, т.к. на внутреннюю стену опираются перекрытия с двух сторон);
– неодновременное возведение отдельных частей здания;
– механическая суффозия – перемещение водяными потоками частиц грунта – ведет к увеличению пористости и к уменьшению прочности грунта;
– наличие в толще грунта материалов, подверженных гниению (корни деревьев, отходы древесины…);
– воздействие механизмов – удаление лишнего грунта при рытье котлованов и траншей под фундамент – наиболее распространенная ошибка строителей, т.к. уложенная выравнивающая подсыпка под фундаментом не обладает прочностью нетронутого грунта;
– уплотнение грунта в процессе эксплуатации сооружения, связанное со значительным увеличением веса (складские помещения, элеваторы…);
– изменение уровня подземных вод (грунтовых или производственных);
– подземные выработки (рытье туннелей метро, канализационных коллекторов и др.);
– разрушение подземных магистралей систем водоснабжения, отопления, канализации и отвода дождевой воды часто приводит к вымыванию большого объема грунта из-под строений.
Из городской жизни
Прорывы трубы систем водоснабжения, центрального отопления или канализации, разрушенная отмостка вокруг зданий, под которую затекают ливневые осадки, могут привести строения в аварийное состояние и даже к разрушению. Происходит это не только из-за снижения несущей способности влажного грунта. Иногда возникает ситуация, когда под землей стихийно возникают большие и малые водяные потоки, уносящие грунт в магистральные ливнеотводящие коллекторы или в водоносные слои грунта. Подобные потоки при благоприятных условиях могут образовывать ручейки, способные создать в толще грунта полости достаточно внушительных размеров , способные поглотить не один грузовик или разрушить целое здание (Рисунок 18).
Из практики ТИСЭ
Фундамент и стены трехэтажного дома 9 х 12 м возводили по технологии ТИСЭ. В процессе возведения стен первого этажа в одном месте стены возникла трещина. Внизу у ростверка её ширина была около 1 мм. Полностью она исчезала на высоте около 1 м от ростверка. Сам ростверк, имеющий высоту около 20 см, не треснул (Рисунок 19). Стали разбираться, в чём причина.
Основная ошибка строителей заключалась в том, что песчаная подсыпка, играющая роль нижней части опалубки, из-под ленты своевременно не была удалена. Но сути стены возводили на ленточном незаглубленном фундаменте, которым являлся ростверк.
Перед тем, как возникла трещина, в этом месте стены был брошен шланг, из которого постоянно текла вода, используемая при возведении стен. От переизбытка влаги несущая способность верхних слоев грунта в этом месте снизилась. Тонкая лента проармированного ростверка просела, не треснув. Бетонный массив в нижней части стены, испытывающий растяжение, лопнул, отчего и появилась эта трещина.
Правильная последовательность удаления песчаной подсыпки из-под ростверка всего дома и горизонтальное армирование стен позволили решить эту проблему. После нанесения шпаклевки эта трещина больше не проявлялась.
Рисунок 19. Появление трещины при местном переувлажнении грунта:
1 – опора; 2 – песчаная подсыпка; 3 – ростверк; 4 – стена; 5 – трещина; 6 – переувлажнённый грунт
Причиной возникновения подобных трещин в стене часто становится разрушенная система ливнеотвода. Толстый слой снега на крыше и массивные сосульки становятся причиной поломки желобов и стояков системы. Если у хозяина руки не доходят до их восстановления, то после сильных дождей земля вокруг дома неравномерно увлажняется, как в предыдущем примере, что вызывает неравномерную осадку незаглубленного или мелкозаглубленного фундамента. В стенах возникают трещины, здание приходит в аварийное состояние, выйти из которого достаточно сложно.
Это было в Санкт-Петербурге
В Шипкинском пер. 17-этажный дом на плитном фундаменте накренился на 0,5%. Причина – ненормативное расположение траншеи ливневой канализации относительно фундаментной плиты (на расстоянии менее 2 м и ниже подошвы плиты на 1 м) и некачественное её выполнение. Это привело к замачиванию грунтов основания и к их утечке в ливнеотводящую систему. Осадка одной стороны здания приблизилась к предельно допустимой величине 24 см.
Восстановление вертикальности здания свелось к сознательному ухудшению несущей способности грунта под той частью плиты, которая не просела. Процесс возвращения дома в вертикальное положение занял почти три месяца. Когда дом начал приближаться к вертикальному положению, началось закрепление грунтов основания под всей плитой инъекцией твердеющих растворов под высоким давлением. После восстановительных работ дом оказался ниже исходной проектной отметки на 30 см.
Мероприятия по устранению неравномерных осадок
Устранение неравномерности осадки фундамента сводится к определенным конструктивным проработкам и к проведению некоторых профилактических мероприятий:
– выбор площади подошвы фундамента, отвечающей величине предполагаемых нагружений;
– рациональная компоновка зданий и сооружений, обеспечивающая более равномерную передачу нагрузки от веса здания на основание;
– уменьшение чувствительности здания через увеличение его изгибной жесткости, если оно короткое, и через уменьшение изгибной жесткости здания, если оно длинное;
– горизонтальное армирование стен и устройство сейсмопоясов;
– устройство деформационных или осадочных швов между секциями сооружения;
– устройство компенсирующего фундамента (столбчато-ленточный фундамент по технологии ТИСЭ);
– придание сооружению или отдельным его частям строительного подъема, соответствующего величине прогнозируемой осадки;
– проработка систем отвода ливневых осадков, систем водоснабжения и канализации с профилактическими мероприятиями по их обслуживанию, не допускающими неравномерного увлажнения грунта и возникновения подземных потоков.
Как можно уменьшить изгибную жесткость дома
У застройщика с большой семьей, но с ограниченными финансовыми возможностями было желание построить двухэтажный дом 11 х 8 м с мансардой. Грунт был слабый и внушал определенные опасения: могли появиться трещины в стенах каменного дома. Было предложено разбить возведение дома на несколько этапов и ввести компенсационную вставку. Для этого дом разделили на три секции: две внешние – каменные, фундамент и стены которых возводились по ТИСЭ; и среднюю деревянную секцию, которая объединяла их в целый дом. У застройщика появилась возможность растянуть строительство, возвести и обживать сначала одну секцию (жилую и гараж…), а затем – и все остальные (Рисунок 20). Одновременно с этим деревянная секция дома могла скомпенсировать неравномерности в просадке грунта без каких-либо разрушений.
Рисунок 20. Этапы возведения здания с уменьшенной изгибной жесткостью:
А – возведение первой каменной секции; Б – возведение второй каменной секции; В – соединение каменных секций балками и стропилами; Г – дом построен
Определение размеров подошвы фундамента
При определении предварительных размеров подошвы фундамент принимают абсолютно жёстким, а реактивное давление грунта под его подошвой – распределенным по линейному закону.
Площадь подошвы фундамента Af подбирают так, чтобы среднее давление под подошвой не превышало условного расчетного сопротивления грунтов R0 по формуле
где N0,ser – продольное усилие, передаваемое колонной, приложенное к фундаменту в уровне его обреза, при коэффициенте надежности ;
d – глубина заложения фундамента; gmt – среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах (принимается » 20 кН/м 3 ).
Затем определяются стороны подошвы фундамента:
– для фундаментов с квадратной подошвой;
; bf = lf u – для фундаментов с прямоугольной подошвой,
где bf – ширина подошвы фундамента; lf – длина подошвы фундамента;
u = 0,6 ¸ 0,85.
После этого уточняется расчетное сопротивление грунта в соответствии с [20] по формуле
где gс1 и gс2 – коэффициенты условий работы, принимаются по табл. 3 [20] или табл. 5.3 [3] в зависимости от наименования грунта и его состояния, а также от конструктивной особенности здания; k – коэффициент, принимаемый равным k = 1,0, если прочностные характеристики грунта (j и cII) определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по табл. 1-3 рекомендуемого прил. [20]; Мg, Мq, Мс – коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения j несущего слоя грунта, принимаются по табл. 4 [20] или табл. 5.4 [3]; bf – ширина подошвы фундамента; kz – коэффициент, принимаемый равным: при bf < 10 м – kz = 1,0, при bf > 10 м –
(здесь z0 = 8 м); – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м 3 (тс/м 3 ); gII – то же, ниже подошвы фундамента; сII – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа (тс/м 2 ); d1 – глубина заложения фундаментов без подвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала (рис. 4), определяется по формуле
где hs – толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; hcf – толщина конструкции пола подвала, м; gcf – расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м 3 (тс/м 3 ), gcf » 22 ¸ 24 кН/м 3 ; db – глубина подвала – расстояние от уровня планировки до уровня пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной В £ 20 м и глубиной свыше 2 м принимается db = 2 м, при ширине подвала В > 20 м – db = 0).
Затем проверяется условие
P £ R, (21)
Если правая и левая части неравенства (21) отличаются друг от друга более чем на 5 %, необходимо уточнить размеры подошвы фундамента.
Уточнение производится следующим образом. Сначала по формуле (18) вычисляется новое значение площади подошвы Af с заменой R0 на R. После этого уточняются стороны подошвы фундамента lf и bf.
Затем по формуле (19) вычисляется новое значение R и так до выполнения условия £ 0,05.
Для внецентренно нагруженных фундаментов следует проверить условия: Pmax £ 1,2R и Pmin ³ 0.
Полученные из расчета размеры подошвы округляются кратно 0,3 м в большую сторону. Окончательные размеры подошвы фундамента устанавливаются после расчета основания по деформациям (осадки).
Определение площади подошвы и размеров уступов фундаментов
Для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производстве работ, размеры обреза фундамента в плане принимают больше размеров над фундаментной части опоры на величину обреза с=0,15-0,3 м в каждую сторону, для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производства работ.
Определяем минимальную площадь подошвы фундамента.
b0,l0 - ширина и длина над фундаментной части опоры в плоскости обреза фундамента (b – 3,2 м; lmin = 10,4 м)
Максимальную площадь подошвы фундамента при заданной его высота hcp определяют исходя из нормированного условия обеспечения жесткости фундамента. Условие заключается в том, что линия уступов или наклон граней фундамента, как правило, не должны отклонятся от вертикали на угол более ЗО°.
С учетом того, что tg30° = 0,577, получим
hcp- - высота фундамента(расстояние от обреза фундамента до его подошвы)
b0 и l0 ширина и длина над фундаментной части опоры в плоскости обреза фундамента (b0= 2,6 м; l0= 9,8 м)
Размеры фундамента определяются методом последовательных приближений. Требуемая площадь подошвы фундамента в первом приближении может быть определена по формуле:
hw – расстояние от уровня подземных вод или уровня меженных вод до подошвы фундамента.
N 1 p1 – расчетная вертикальная сила по обрезу фундамента
N 1 p1 =1,1× ( 5,6 + 1,49) + 1,13×6,60 = 15,25 кН
где R –расчетное сопротивление грунта основания МПа
R0 – условное сопротивление грунтов МПа принимаемое (по таблице 3.2)
k1 k2- коэффициенты для песка мелкого k1=0,08m -1 , k2=2,5m -1
b- ширина подошвы фундамента b=3,2
d – глубина заложения фундамента, м
принимается от дна водостока после размыва в русле реки до подошвы фундамента.
Подставим найденные значения в формулу.
полученная площадь подошвы фундамента удовлетворяет условию
Amax = 97,09м 2 >А = 3 9м 2 > Аmin =33,3 м 2 значит необходимо развитие площади до требуемой А, за счет уширения вдоль оси моста либо вдоль и поперек оси моста. Принимаем:
Читайте также: