Основания и фундаменты.

Общие сведения о фундаментах и основаниях.

Фундаментом называют подземную или подводную часть сооружения, которая передает нагрузку от сооружения грунту основания и распределяет её на большую площадь (фундамент – конструкция воспринимающая на себя нагрузку от здания и передающая её на основание).

Основание – это слои грунта залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него, влияющие на устойчивость фундамента и его перемещение (основание – массив грунта под подошвой ф-та и воспринимающий нагрузку).

Подошва – нижняя плоскость ф-та, которой он опирается на грунт.

Обрез ф-та – верхняя граница между ф-том и телом сооружения.

Высота фундамента – расстояние по вертикали от обреза до подошвы ф-та.

Расстояние от верхней границе грунта до подошвы фундамента называется глубиной заложения ф-та.

Слой грунта в котором расположен ф-т называется несущим слоем.

Слой грунта расположенный под несущим слоем называется подстилающим слоем.

Все ф-ты делятся на 2а типа:

1.Ф-ты мелкого заложения (ФМЗ).

2.Ф-ты глубокого заложения(ФГЗ).

Основания бывают 2х видов:

1.Естественное основание, т.е. основание сложенное природными грунтами.

2.Искуственное основание – укрепленный или уплотненный грунт.

Исходные данные для проектирования основания и ф-тов.

Сведения о конструктивных особенностях зданий и сооружений. Нагрузки и воздействия, которые учитываются при расчете ф-тов и оснований.

Нагрузки передаваемые на ф-т делятся на постоянные и временные. Постоянные – это нагрузки прикладываемые на ф-т в период строительства и действующие в течение всего периода эксплуатации (собственный вес к-ии и давление грунта). Временные – это нагрузки прикладываемые на ф-т в отдельные периоды строительства или эксплуатации, они могут увеличиваться, уменьшатся или исчезать полностью.

Временные нагрузки можно подразделить на:

1.Длительнодействующие.

2.Кратновременные.

3.Особые.

К длительнодействующим относятся нагрузки, которые наблюдаются в течении продолжительного времени(вес оборудования).

К кратковременным относятся нагрузки действующие непродолжительное время (нагрузка от транспорта, вес людей, снеговая и ветровая).

Особые нагрузки возникают в исключительных случаях (сейсмические, обусловленные резкой просадкой при замачивании, а также на подрабатываемых территориях).

Все перечисленные нагрузки могут воздействовать на основание и ф-т в самых различных сочетаниях. В зав-ти от того какие нагрузки оказывают воздействие на к-ию различают следующие их сочетания:

I.Основные сочетания нагрузок

1.постоянные

2.временно-длительно действующие.

3.кратковременные

II.Особые сочетания нагрузки

1.постоянные

2.временно-длительно действующие

3.кратковременные

4.одна из особых нагрузок

Также нагрузки различают:

1.Нормативные

2.Расчетные

Постоянные нормативные нагрузки определяют путем умножения объема к-ии на удельный вес материала.

N=V*γ

Временные нормативные нагрузки определяются по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» с учетом районов в которых ведется строительство и особенностей проектируемого сооружения.

Расчетные нагрузки определяются путем умножения нормативных нагрузок на коэф-т надежности по нагрузке.

Расчет оснований и ф-тов как и всех строительных к-ий выполняется по предельным состояниям.

Основания рассчитывают по двум предельным состояниям:

1.Первое предельное состояние. Это расчет по прочности и устойчивости (по несущей способности).

2.Второе предельное состояние. Это расчет по деформации.

Расчет оснований по несущей способности производится на основное и особое сочетание расчетных нагрузок ( при наличии особых нагрузок).

Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нормативных нагрузок (расчетных нагрузок с коэф-том надежности по нагрузке).

Данные об особенностях инженерно-геологических условий площадки строительства.

Эти данные получают в ходе инженерно-геологических изысканий, которые выполняются специализированными институтами на основании технического задания.

В состав инженерно-геологических изысканий входят следующие этапы:

1.Сбор анализ и обобщение данных о природных условиях района строительства включая материалы изысканий прошлых лет. Эта работа выполняется с целью разработки рабочей гипотезы об инженерно-геологических условиях площадки строительства. Для определения объемов и методов проведения изыскательских работ. При этом должны учитываться данные различных авторов и организаций. Все данные обобщаются, анализируются и используются на всех стадиях проектирования.

2.Инженерно-геологическая рекогносцировка (recognosco ) состоит из маршрутных наблюдений. Как правило направление маршрутов совпадает с существующими дорогами, что позволяет использовать при рекогносцировке транспорт. Кроме маршрутных наблюдений в ходе рекогносцировки могут находится отдельные горные выработки и производится опробование грунтов. Рекогносцировка в основном производится на стадии выбора площадки строительства.

3.Инженерно-геологическая съемка (ИГС) проводится с целью комплексного изучения и оценки инженерно-геологических условий района строительства.

4.Инженерно-геологическая разведка (ИГР). Её цель получение инженерно-геологических хар-тик грунтов в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой.

ИГС и ИГР близки между собой по своим методам и по своему содержанию. Разница между ними заключается в масштабах работ. ИГС применяется на стадии составления проектов районной планировки, проектов планировки и застройки городов, схем генпланов, промышленных узлов. А ИГР применяется на стадии проектирования отдельных объектов зданий и сооружений. В методах проведения ИГС и ИГР много общего - в состав того и другого вида входят следующие работы:

1.проходка горных выработок ( скважин, шурфов).

2.полевые исследования свойств грунтов.

3.лабораторные исследования состава и свойств грунтов.

4.геофизические исследования.

5.опытно-фильтрационные работы и некоторые другие специфические виды работ.

Методы инженерно-геологических исследований (ИГИ).

1.Проходка горных выработок.

Наиболее широкое распространение в ИГИ для промышленного и гражданского строительства нашли такие виды горных выработок как скважины (наиболее распространены) и шурфы. Большинство скважин бурятся до глубины 30 метров. Диаметр скважин от 89 до 168 мм. Шурфы более трудоемки и их производительность меньше, поэтому используются реже, в основном при реконструкции зданий.

2.Полевые опытные работы.

Имеют широкое распространение.

Их преимущества перед лабораторными методами:

А)возможность изучения сравнительно большого по объему массива грунта.

Б)меньшая степень нарушенности естественного сложения грунта.

В)изучение свойств грунта в условиях напряженного состояния.

Недостатки полевых испытаний:

А)высокая стоимость, длительность, трудоемкость

Б)невозможность проведения большого числа опытов для статистической обработки результатов.

Наиболее целесообразно проведение полевых работ в комплексе с лабораторными.

Наиболее распространенные методы полевых испытаний:

1.Зондирование

2.Пенетрации

1 и 2 – определяется плотность грунтов, консистенция глинистых грунтов, модуль деформации.

3.Метод вращательного среза

4.Метод сдвига грунтовых призм

5.Метод штанговых испытаний

6.Налив и откачка воды из скважины

К полевым методом также стоит отнести геофизические методы исследований. В основе которых лежит способ определения физико-механических характеристик грунтов по скорости распространения в них упругих волн.

Лабораторные исследования.

Они легко доступны и широко используются в практике инженерно-геологических изысканий. Используются для определения физико-механических характеристик грунтов.

1.Определение удельного веса и плотности (метод режущего кольца, метод парафенирования, метод взвешивания в нейтральной жидкости, метод непосредственных измерений).

2.Определение природной и характерных влажностей (метод высушивания до постоянной массы (весовой), гидростатический, электрометрический, термостатный).

3.Определение деформационных свойств (компрессионные испытания).

4.Определение прочностных свойств (сдвиговой прибор).

5.Определение фильтрационных свойств (КФ-1).

Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов

Основные характеристики:

1. – удельное сцепление.

2. – угол внутреннего трения.

3. – модуль деформации.

4. – удельный вес грунта.

В основном нормативные характеристики устанавливаются на основании статистической обработки результатов полевых и лабораторных испытаний. Все расчеты оснований должны выполнятся с использованием расчетных характеристик определяемых по формуле:

Где Х-расчетное значение характеристики

– нормативное значение хар-ки

– коэф-т надежности по грунту.

Для расчетов оснований зданий и сооружений 2ого и 3его классов, допускается определять нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам согласно СНиП 2.02.01 – 83 (приложение 1).

В этом случае расчетные хар-ки определяются по формулам:

А)при расчеты по деформациям (второе предельное состояние)

Б)при расчете по несущей способности (первое предельное состояние)

- песчаные грунты - глинистые грунты

Виды деформаций оснований зданий и сооружений.

Деформации возникающие в сооружениях зависят от характера развития неравномерных осадок и делятся на 6 видов:

1.прогиб

2.выгиб

3.перекос

4.крен

5.скручивание

6.горизонтальные перемещения фундаментов

Прогиб и выгиб связаны с искривлением сооружения.

Перекос возникает в к-циях где резкая неравномерность осадок проявляется на участке небольшой протяженности. Конструкции при этом сохраняют горизонтальное положение.

Если основание загружено не симметрично происходит поворот относительно горизонтальной оси, которая проходит через центр тяжести.

Крен может произойти и в к-циях в которых колонны и стены не связаны жестко с др. к-циями. Возникает дополнительный момент, который способствует увеличению крена.

При неодинаковом крене сооружения по длине возникает скручевание. В элементах стен и перекрытий развиваются дополнительные усилия.

Горизонтальные перемещения ф-тов происходят если опирающиеся к-ции передают значительные горизонтальные усилия (подпорные стенки, распорные к-ции).

Выбор оснований и типов фундаментов.

При всем многообразии геологических условий можно выделить 3 основные схемы.

По схеме 1 при h более 4 метров наиболее целесообразен ФМЗ.

По схеме 2 ФМЗ зависит от мощности слоя малопрочного грунта

При небольшой h 1 ФМЗ подошвой ставят на прочный грунт (h1 не должно превышать 6 метров).

По схеме 3 наиболее благоприятным для ФМЗ условием является размещение фундамента в третьем слое грунта, но h1+h2 не должна превышать 6 метров.

Свайные фундаменты (СФ) могут быть по любой из этих схем, причем заглубление свай по второй и третей схемам до прочного слоя грунта.

Во всех случаях где экономически оправдано и технически возможно ФМЗ подошвой ставят на скальные и малосжимаемые грунты (твердые и полутвердые глины и суглинки, а также плотные, крупнообломочные и песчаные грунты), а также грунты средней сжимаемости (пески средней плотности, тугопластичные глины и суглинки). НЕЛЬЗЯ ПРИМЕНЯТЬ В КАЧЕСТВЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСНОВАНИЯ ДЛЯ ФМЗ РЫХЛЫЕ ПЕСКИ И ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ (СУПЕСЬ, СУГЛИНОК, ГЛИНА) НАХОДЯЩИЕСЯ В ТЕКУЧЕМ СОСТОЯНИИ!!!!!!

Выбор типа ф-тов рекомендуется начинать с оценки экономической целесообразности и технической возможности применения наиболее рационального вида ф-та. Тип и глубину заложения ф-тов назначают исходя из технико-экономического сравнения различных вариантов по стоимости затратам материалов и труда.

Выбор типов и глубины заложения подошвы фундамента.

Проектирование оснований и ф-тов состоит из 2х частей:

1.Выбор типа ф-та и его основных размеров (глубина заложения, размеры подошвы фундамента).

2.Проектирование детальных размеров тела и арматуры ф-та (толщина плиты и плитной части ф-та, высота уступов ребер плиты).

Глубина заложения ф-тов.

Одним из главных этапов проектирования ф-та является глубина заложения ф-та.

Основная задача - решение вопроса о несущей способности грунта, который обеспечил бы устойчивость ф-та и сооружения в целом. Для выбора глубины заложения ф-та необходимо учитывать следующие факторы:

1.Инженерно-геологические условия площадки строительства

2.Климатическое воздействие на верхние слои грунта

3.Особенности возводимых сооружений (конструктивные особенности)

Климатическое воздействие на верхние слои грунта

Нормативная глубина заложения грунта определяется по след.формуле:

Где d0 – глубина промерзания грунта при Mt = 1 принимаемое для:

А)глин и суглинков – 23см

Б)супесей и пылеватых мелких песков – 28 см

В)песков средней крупности, крупных и гравелистых – 30 см

Г)крупнообломочных грунтов – 34 см

Mt – безразмерный коэф-т равный сумме абсолютных среднемесячных отрицательных температур за зимний период в районе строительства (Долматов, Моралеску, Науменко – стр.37)

Расчетная глубина промерзания грунта:

Где – коэф-т влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен (СНиП 2.02.01.83 стр.5-6)

– коэф-т условий работы учитывающий изменчивость климата в районе строительства

В районах где сумма среднемесячных отрицательных температур воздуха за отдельную суровую зиму в полтора раза и более привышает средние данные принимаем - 1.1. В южных районах с теплым климатом – 1.

Особенности возводимых сооружений (конструктивные особенности).

К ним относятся:

1.Наличие подвальных сооружений

2.Наличие ф-тов под оборудованием

3.Примыкание к ф-там соседних сооружений

4.Конструкции самого ф-та

Проектирование ф-тов по второму предельному состоянию (по деформации).

Неравномерность осадки сооружения вызывает появления в нем недопустимых деформаций, поэтому необходимо ограничивать величины неравномерности осадок. Для этого необходимо проверить следующие условие:

(ΔS/L) (ΔS/L)u

ΔS – разность между осадками ф-тов

L – расстояние между осями этих ф-тов

(ΔS/L)u- предельно-допустимое значение относительной неравномерности осадки

i – крен сооружения по расчету

- предельно допустимый крен сооружений

В общем случае осадка каждого ф-та состоит из суммы 5ти слагаемых:

S=Sупл+Sразупл+Sвып+Sрасстр+Sэкспл

Sупл – осадка развития упругих и остаточных деформаций уплотнения грунтов

Sразупл – осадка связанная с разуплотнением верхних слоев грунта

Sвып – осадка выпирания грунта из под подошвы ф-та

Sрасстр – осадка расструктуревания

Sэкспл – осадка в результате эксплуатации здания и сооружения

Такой способ определения осадки – трудоемкий.

При горизонтальном залегании грунтов достаточно убедиться в удовлетворении одного из след.условий:

;

Где –средняя осадка сооружения по расчету

– предельно-допустимое значение средней осадки ( )

– абсолютная наибольшая осадка по расчету

– предельно-допустимое значение абсолютной осадки ф-та

Расчет осадки ф-та при ширине его подошвы до 10 метров производят методом послойного суммирования.

Величина осадки рассчитывается по следующей формуле:

- безразмерный коэф-т = 0.8

n – число слоев 8-10

- среднее доп.напряжение i-ого слоя

– толщина i-ого слоя грунта

– модуль деформации i-ого слоя грунта

Понятие о расчетном сопротивлении грунта основания.

При расчете оснований по деформациям требуется удовлетворения условия

– среднее значение давления по подошве ф-та

R – расчетное сопротивление грунта основания (СНиП 2.02.01 -83 стр.8)

Проверка давлений на подстилающий слой грунта.

Когда на глубине Z под несущим слоем грунта залегает слабый грунт необходимо проверить напряжения передаваемые на кровлю слабого грунта:

Где - природное напряжение, напряжение от собственного веса грунта,

- доп-ое вертикальное напряжение, напряжение от нагрузки

- расчетное сопротивление на глубине кровли слабого грунта

Расет ф-та по первому предельному состоянию (по несущей способности).

Производится по след-ей формуле:

F – расчетная сила передаваемая на подошву ф-та от нагрузок

– нагрузка по обрезу ф-та

– вес ф-та

- вес грунта лежащего на уступах ф-та

- коэф-т условий работы, зависит от вида грунта, определяется (Далматов, Науменко стр.110)

– сила предельного сопротивления основания

– коэф-т условий работы

ФМЗ возводимые в открытых котлованах.

К ФМЗ относят такие ф-ты глубина заложения которых не превышает 6 метров. ФМЗ возводят в котлованах предварительно отрытых на полную глубину с пов-ти грунта. ФМЗ имеет слуд-ие основные особенности:

1.небольшую глубину заложения – до 6 метров (исключения – ф-ты объектов горной металлургии, где глубина заложения может достигать 15 метров)

2.незначительное отношение высоты к ширине (не превышает 4х)

3.устраивают в открытых котлованах

4.передают нагрузку на основание только через подошву

Классификация ФМЗ.

В зав-ти от вида основания на которое опирается ф-т они могут быть:

1.На естественном основании

2.На искусственном основании

ФМЗ могут быть:

1.Жесткими

2.Гибкими

Жесткими называют такие ф-ты которые в процессе своей работы не деформируются

В теле гибкого ф-та материал работает как на сжатие так и на растяжение, так как такой ф-т может изгибаться – эти деформации изгиба необходимо учитывать при определении давления под подошвой гибкого ф-та.

Материалы для устройства ф-тов.

Они должны обладать определенной прочностью, неразмокаемостью, морозостойкостью и устойчивостью к воздействию агрессивных подземных вод. Всех этим требованиям в наибольшей степени отвечают такие материалы как бетон и ж/б.

Железобетон.

Является универсальным материалом для устройства фундаментов. Особенно не заменим ж/б при устройстве гибких фундаментов, так как он сопротивляется изгибу. Он является весьма морозостойким материалом. Для возведения монолитных, ж/б ф-тов не допускается применение тяжелого бетона класса ниже В5, а для сборных ф-тов В7.5. Для армирования ж/б ф-тов применяют стальную арматуру класса А-III и арматурную проволоку Вр-I и Вр – II. В качестве монтажной и поперечной арматуры используют арматурную сталь класса А – I и А – II.

Бетон.

Применяют для массивных жестких фундаментов, материал которых работает только на сжатие.

Кроме бетона и железобетона при возведении фундаментов используются следующие материалы:

1. бутовая кладка на цементном или известковом растворе. Этот материал в настоящее время применяется очень редко – только в индивидуальном строительстве. Используется для фундаментов, работающих на сжатие.

2. Цементогрунт. Применяется в качестве материала для устройства мало нагруженных фундаментов, работающих только на сжатие, и при отсутствии агрессивных грунтовых вод.

3. Кирпичная кладка. В основном используется для возведения стен подвалов. Недостатки: водопроницаемость, невысокая прочность.

4. Дерево. Используется в качестве фундаментов временных сооружений (не относится к деревянным сваям).

5. Металл. Ввиду дефицитности и высокой стоимости используется ограниченно. Только в качестве материала для фундаментов сборных сооружений, когда фундаменты должны иметь маленький вес.