6.6Специальные фундаменты глубокого заложения

К специальным фундаментам глубокого заложения обычно относят:

• глубокие опоры,

• «стены в грунте»,

• опускные колодцы.

Схемы таких фундаментов приведены на рис. 28.

Г лубокие опоры отличаются от буровых или набивных свай только большими размерами (диаметр до 2,5м, глубина до 60м). Чаще всего они делаются с уширенным нижним концом, иногда с несколькими уширениями. Каждый конкретный вид глубоких опор делается с помощью той или иной специальной машины (комплекса машин).

Стена в грунте (рис. 28б) обычно понимается не только как конструкция глубокого фундамента, но и как определенная технология устройства подземных помещений. По контуру будущего сооружения откапывается глубокая узкая траншея (обычно шириной 0,6м, глубиной 20…30м, иногда до 50м), в нее устанавливается арматура, и производится заполнение бетонной смесью (иногда используются сборные железобетонные элементы). После этого грунт внутри контура образовавшейся замкнутой стены удаляется с помощью землеройных машин, и создается пространство подземных помещений. Для облегчения восприятия бокового давления грунта железобетонными стенами на одном или нескольких уровнях устраиваются анкерные крепления (путем пробуривания в стене и в грунте шпуров и устройства в них железобетонных тяг). Для предотвращения обрушения стенок глубоких траншей в процессе откопки такие траншеи заполняются глинистым раствором (бентонитовой суспензией).

Стена в грунте может возводиться также и путем устройства сплошного ряда взаимно пересекающихся (в плане) буровых свай.

Стены в грунте могут использоваться не только как фундаменты и ограждения подземных помещений, но и как противофильтрационные завесы. В таких случаях вместо бетона могут использоваться менее прочные, но водонепроницаемые материалы (цементно-глинистые растворы, асфальт и проч.).

Опускной колодец (рис. 28г) – это большое железобетонное изделие, в плане кольцеобразное или прямоугольное (коробчатое), которое погружается в грунт под действием собственного веса при удалении грунта из его внутренней зоны. Обычно при удалении грунта производится подкапывание под нижние опорные кромки опускного колодца, а сам опускной колодец по мере погружения наращивается сверху (производится дополнительное бетонирование, если колодец монолитный, или дополнительный монтаж, если он сборный железобетонный). В случае «зависания» колодца его дальнейшее погружение обеспечивается вибрацией или дополнительной нагрузкой.

7Расчет оснований мелкозаглубленных фундаментов

7.3Общие принципы расчета

Основания рассчитываются в общем случае, как и все строительные конструкции, по двум группам предельных состояний:

• по I группе – по несущей способности,

• по II группе – по деформациям.

Наступление предельного состояния I группы, т.е. исчерпание несущей способности основания, характеризуется быстрыми провальными осадками, зачастую превышающими 1м, т.е. полным разрушением основания (рис. 29). Если такое состояние наступает, то оно происходит сразу же после приложения полной эксплуатационной нагрузки и происходит очень быстро (в первые часы или дни эксплуатации). О днако наступление предельного состояния I группы в основаниях происходит крайне редко. Оно обычно соответствует внешним нагрузкам, значительно превышающим нагрузки, вызывающие наступление предельного состояния II группы. Иными словами, если фундамент удовлетворяет требованиям к деформациям основания, то в большинстве случаев требования к несущей способности этого основания удовлетворяются автоматически. По этой причине отечественные нормы требуют выполнения расчетов по I группе предельных состояний только в четырех случаях:

• при больших горизонтальных нагрузках,

• для фундаментов, расположенных вблизи откосов,

• при скальных основаниях,

• при слабых, медленно уплотняющихся основаниях.

Расчет несущей способности основания производится по формулам, полученным методами теории предельного равновесия, в которой, как известно, грунт моделируется сыпучей средой, обладающей сцеплением, т.е. характеризующейся двумя параметрами φ и с (раздел 4.4). Схема разрушения основания приведена на рис. 30.

Отечественные нормы проектирования оснований и фундаментов (СНиП 2.02.01-83*, СП 50-101-2004) содержат формулы для таких расчетов. Главным требованием является соблюдение условия:

, (17)

где F – расчетная нагрузка на основание;

F_u – предельное сопротивление основания;

γ_с – коэффициент условий работы принимаемый в зависимости от вида грунта в основании равным 0,8…1;

γ_n – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый в зависимости от уровня ответственности сооружения равным 1,1…1,2.

Практически определяется и оценивается по приведенной формуле раздельно вертикальная N_u и горизонтальная F_u составляющие предельного сопротивления основания. Как отмечалось, СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 приводят формулы для определения этих составляющих.

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления N_u принимается для скальных грунтов равной прочности на одноосное сжатие (в пересчете его на площадь подошвы фундамента). Для дисперсных N_u грунтов определяется расчетом по приводимой в нормах формуле в зависимости от угла внутреннего трения φ, удельного сцепления с грунта, а также глубины заложения и размеров (ширины, длины) подошвы фундамента.

Для медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтов должно учитываться влияние нейтрального (порового) давления в грунте u путем вычитания этого давления из нормальных напряжений в грунте σ (см. раздел 5.4). Если такие грунты однородны, допускается этот вопрос решать упрощенно, принимая φ = 0.

Расчетные характеристики грунта, используемые при расчетах по I группе предельных состояний, как отмечалось в разделе 4.5, должны содержать «запасы» большие, чем при расчетах по II группе. Их обозначения должны иметь индекс I, т.е. φ_I, c_I, γ_I и т.д. Это же относится и к нагрузкам, которые при расчетах по I группе предельных состояний принимаются более высокими, чем при расчетах по II группе. Такое условие обеспечивается за счет того, что коэффициенты надежности и по нагрузкам, и по грунту при расчетах по I группе предельных состояний принимаются большими, чем при расчетах по II группе.

Предельным состоянием II группы считают такое состояние основания, при котором его разрушения не происходит, но деформации (осадки, горизонтальные смещения, крены и т.д.) достигают предельных значений, превышение которых создает угрозу безопасности сооружения. Практически такое превышение всегда отражается на состоянии надземных конструкций: это трещины в стенах, балках, иногда их обрушение.

В общем случае расчет по II группе предельных состояний включает определение ожидаемых деформаций основания и сравнение их с установленными допустимыми величинами. Однако нормативные документы допускают многочисленные упрощения, при которых в ряде случаев сами деформации могут и не определяться, а оцениваться косвенно (например, по ожидаемому давлению под подошвой фундамента). Тем не менее, при проектировании сооружений на дисперсных грунтах расчет основания по II группе предельных состояний (в полной или упрощенной форме) делается всегда.

В соответствии с отечественными нормативными документами (СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004) такой расчет в общем случае включает три этапа:

• предварительный выбор размеров подошвы фундамента по приближенному значению расчетного сопротивления основания R₀, определяемому в зависимости от физических свойств грунта по таблицам, приводимым в нормах;

• уточнение размеров подошвы фундамента на основе более надежного расчета, использующего более точную величину расчетного сопротивления основания R, которая определяется по специальной формуле в зависимости от механических свойств грунта и предварительно принятых размеров подошвы фундамента (см. приложение 1);

• расчет осадок фундамента, определение их неравномерности, для высоких сооружений определение крена; сравнение полученных деформаций с допустимыми величинами (см. приложение 2).

Для малоответственных сооружений (III уровень ответственности) расчет можно ограничить первым этапом. В этом случае при необходимости производится небольшая дополнительная корректировка табличного значения R₀ в зависимости от глубины заложения фундамента и предполагаемой ширины его подошвы (таблицы охватывают лишь наиболее типичные размеры фундамента).

Для большинства объектов массового строительства, возводимых в относительно благоприятных грунтовых условиях (точные критерии приведены в СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004) расчет можно ограничить первыми двумя этапами, т.е. допускается расчет деформаций не производить. В этом случае предполагается, что при давлении под подошвой фундамента меньшем R осадки не превзойдут допустимых величин.

В остальных случаях (неблагоприятные грунтовые условия, повышенная ответственность проектируемых сооружений) расчеты деформаций обязательны. Расчет осадок производится «методом послойного суммирования», изложенным в СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 (за рубежом в большинстве стран расчеты осадок также производятся аналогичным методом). Главная идея этого метода состоит в том, что основание разбивается на горизонтальные слои толщиной не более 0,4b (b – ширина фундамента), определяется деформация (осадка) каждого слоя, затем все осадки слоев суммируются, и получается общая осадка. В каждом слое сначала определяются напряжение σ_zp (см. раздел 5.6), для чего используется специальная таблица значений α (см. формулу (16)). Исходя из напряжений в каждом слое, вычисляют их осадки (напряжения делятся на модуль деформации и умножаются на толщину слоя).

Полученные расчетом деформации сравниваются с допустимыми значениями. СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 содержат таблицу допустимых (предельных) деформаций оснований для различных сооружений, в которой рассматриваются следующие три критерия:

• средняя осадка (для каркасных зданий максимальная осадка s_{max u}),

• (относительная разность осадок i_s (рис. 31а),

• крен i₀ (см. рис. 31б).

Согласно упомянутой таблице, например, для многоэтажных бескаркасных кирпичных зданий допускается средняя осадка = 10см и относительная разность осадок i_s = 0,002. Для каркасных зданий (одноэтажных и многоэтажных) с железобетонным каркасом допускается максимальная осадка s_{max u} = 8см и относительная разность осадок i_s = 0,002, при стальном каркасе допускаются большие деформации: s_{max u} =12см и i_s = 0.004 и т.д.