4.4 Проектирование оснований

4.4.1 Предельные состояния оснований

Проектирование оснований является важнейшей составной частью проектирования сооружения в целом. Статическая схема сооружения, конструктивное и объемно-планировочное решение, плановая и высотная привязки должны приниматься с учетом результатов инженерных изысканий на площадке строительства и технически возможных решений фундаментов.

Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор [2]:

• типа основания (естественное или искусственное);

• типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения, ленточные, столбчатые, плитные и др.; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др);

• мероприятий, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность сооружений.

Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний:

по первой – по несущей способности;

по второй – по деформациям.

Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях. Расчет оснований по несущей способности должен производится в случаях, если:

а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т.п.), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

в) основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами при степени влажности S_r0,85 и коэффициентом консолидации с_v10⁷см²/год;

г) основание сложено скальными грунтами.

Расчет оснований по несущей способности в случаях а) и б) допускается не производить, если обеспечена невозможность горизонтального смещения проектируемого фундамента за счет конструктивных мероприятий: устройства полов в подвале здания; жесткого крепления откоса; объединения фундаментов в единую систему пространственно-жесткой и прочной надфундаментной конструкцией. Например, при фундаментно-подвальной части здания с частым шагом поперечных стен на фундаментах в виде железобетонных перекрестных лент.

В расчетах оснований следует учитывать совместное действие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (например, влияние поверхностных или подземных вод на физико-механические свойства грунтов).

К первой группе предельных состояний оснований относятся: потеря устойчивости формы и положения; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение, резонансные колебания; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести.

Ко второй группе относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружения или снижающие его долговечность вследствие недопустимых перемещений (осадок, прогибов, углов поворота), колебаний, трещин и т.п.

Сооружение и его основание должны рассматриваться в единстве, т.е. должно учитываться взаимодействие сооружения со сжимаемым основанием. Поскольку основание лишь косвенно влияет на условия эксплуатации сооружения, состояние основания можно считать предельным лишь в случае, если оно влечет за собой одно из предельных состояний сооружения.

Целью расчета оснований по предельным состояниям является выбор технического решения фундаментов, обеспечивающего невозможность достижения основанием перечисленных выше предельных состояний. При этом должны учитываться не только нагрузка от проектируемого сооружения, но также возможное изменение физико-механических свойств грунтов под влиянием поверхностных или подземных вод, климатических факторов различного вида тепловых источников и т.д. К изменению влажности особенно чувствительны просадочные, набухающие и засоленые грунты; к изменению температурного режима – набухающие и пучинистые грунты.

При проектировании необходимо учитывать, что потеря несущей способности основания, как правило, приводит все сооружение в предельное состояние первой группы. При этом предельное состояние основания и конструкций сооружения совпадают. Деформации основания могут привести сооружение в предельные состояния как второй, так и первой группы; поэтому предельные деформации оснований могут лимитироваться как прочностью, устойчивостью и трещиностойкостью конструкций, так и архитектурными, эксплуатационно-бытовыми и технологическими требованиями, предъявляемыми к сооружению или размещенному в нем оборудованию.

4.4.2 Расчетная схема системы «фундамент-основание»

Расчетная схема «фундамент-основание» представляет собой совокупность упрощающих предположений относительно геометрической схемы конструкции, свойств материалов и грунтов, характера взаимодействия конструкции с основанием и схематизации возможных предельных состояний.

Одно и то же сооружение может иметь разную расчетную схему в зависимости от вида предельного состояния, цели расчета, вида учитываемых воздействий и разработанности методов расчета.

Для расчета деформаций оснований используются преимущественно расчетные схемы основания в виде:

• линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Н_с. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубинеz=Н_с, где выполняется условие_zp=0,2_zg (_zp – дополнительное вертикальное напряжение;_zg –вертикальное напряжение от собственного веса грунта). Если найденная граница находится в слое грунта с модулем деформации Е<5 МПа или такой слой залегает непосредственно нижеz=Н_с, то нижняя граница сжимаемой толщи определяется из условия_zp=0,1_zg;

• линейно-деформируемого слоя, если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Н_с, определенной как для линейно-деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации Е₁>100 Мпа и толщинойh₁, удовлетворяющей условию

, (4)

где Е₂ – модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е₁;

б) ширина (диаметр) фундамента b10 м и модуль деформации грунтового основания Е10 МПа.

Толщина линейно-деформируемого слоя Н в случае «а» принимается до кровли малосжимаемого грунта, в случае «б» вычисляется в соответствии с п. 8 приложения 2 [2].