9. Проектирование оснований по второй группе предельных состояний.

Цель расчета по второй группе предельных состояний — исключить возможность возникновения недопустимых по условиям нормальной эксплуатации сооружения деформаций (осадок, кренов, сдвигов) оснований и фундаментов. Расчет производят, исходя из соблюдения условия s< su, (6.2)

где s — совместная деформация основания и фундамента, определяемая расчетом; su —соответствующее предельно допустимое значение деформации.

Выполнение основного условия второго предельного состояния s£ su, где s - совместная деформация основания и сооружения, в том числе осадка (или относительная разность осадок), а su - предельно разрешаемая деформация (или относительная разность осадки, или крен), должно обеспечить возможность нормальной эксплуатации здания или сооружения в течение всего назначенного срока. Условие s £ su, является основным для второго предельного состояния, а s и su, имеют обобщенные значения (средняя или максимальная осадка, горизонтальные перемещения, относительная разность осадок, крен и т.д.).

Величины su, получены в результате обобщения строительного опыта, наблюдения за действующими однотипными сооружениями, за авариями. Для принципиально новых конструкций зданий или сооружений величины su, должны быть назначены проектировщиками.

10. Выбор типа и глубины заложения фундамента.

Чтобы исключить возможность появления недопустимых (по условиям нормальной эксплуатации сооружений) деформаций оснований и фундаментов, проектировщики должны иметь достаточно полные, а главное, достоверные исходные данные и на основе их обеспечить правильную оценку влияния различных инженерно-геологических и других факторов на прочность, устойчивость и деформативность грунтовых оснований как во время строительства, так и в период эксплуатации сооружений. К этому следует добавить, что проектирование фундаментов значительно осложняется тем, что основание и фундамент при передаче нагрузок на грунт представляют единую систему, элементы которой состоят из материалов с резко различающимися физико-механическими свойствами. Так, фундаменты состоят из высокопрочных материалов (бетона и стали), физические и механические свойства которых почти не изменяются под воздействием природных факторов. Основанием же фундаментов являются грунты, имеющие значительно более низкие характеристики физико-механических свойств, которые могут изменяться под воздействием ряда природных факторов, в том числе влажности и плотности сложения. Из этого следует, что при выборе типа и глубины заложения фундаментов решающее значение имеют геологические условия, а именно характер напластования грунтов и показатели их прочности и деформируемости.

Выбор основания и связанное с ним назначение глубины заложения фундамента заключается в подборе несущего пласта грунта, который будет воспринимать давление от сооружения и передавать его на нижележащие подстилающие пласты слоистой толщи. При однородной (неслоистой) толще грунтов выбор основания сводится к определению необходимой глубины заложения фундаментов, при которой грунты воспринимают нагрузки от сооружения. Как в первом, так и во втором случаях осадки и крены фундаментов не должны превышать предельно допустимых значений.

Во всех случаях в качестве основания фундаментов стремятся принять мало сжимаемые или скальные грунты, а также грунты средней сжимаемости (песчаные грунты средней плотности сложения или тугопластичные глинистые грунты) (см. рис. 6.1, а, б).

Иногда основаниями свайных фундаментов являются сильно сжимаемые грунты (см. рис. 6.1, а) при условии обязательных полевых испытаний статической нагрузкой свай для уточнения их несущей способности.

Глубину заложения фундаментов назначают в зависимости от особенностей расположения несущего пласта грунтов и требований обеспечения предусмотренных проектом сооружения несущей способности и деформативности оснований и фундаментов в условиях неблагоприятного воздействия на них природных факторов, таких, как размыв дна водотоков у опор мостов, абразивное и агрессивное воздействие среды, промерзание и связанное с этим морозное пучение грунтов на суше.

При назначении глубины заложения фундаментов необходимо учитывать, что серийно выпускаемым в настоящее время оборудованием можно погрузить в разные покровные отложения, например в рыхлые пески или в пластичные связные грунты, призматические сваи на глубину до 24 м; полые железобетонные составные сваи на глубину до 40 м; стальные забивные сваи на глубину до 70 м; железобетонные оболочки на глубину до 50 м; буровые сваи на глубину до 40 м; опускные колодцы на глубину до 40 м. Глубина погружения перечисленных элементов в случае необходимости может быть увеличена, если применить более эффективное технологическое оборудование.

Тип и глубину заложения фундамента нужно выбирать на основании эскизного обследования разных вариантов по затратам труда и материалов, а также по стоимости.

Выбор типа фундаментов рекомендуется начинать с рассмотрения экономической целесообразности и возможности применения безростверковых опор из свай, оболочек или столбов. Если такие опоры окажутся неприемлемыми, следует рассмотреть целесообразность применения фундаментов из тех же элементов, но с ростверком, расположенным над поверхностью грунта или дном водотока, а иногда и над уровнем меженных вод. Фундаменты с ростверком, заглубленным в грунт, надо применять в крайних случаях, когда по местным условиям нормального пропуска ледохода, лесосплава, селевых потоков или по эстетическим соображениям ростверк нельзя расположить над поверхностью грунта или воды.

11. Фундаменты, возводимые в открытых котлованах.

Существует несколько признаков, по которым классифицируют фундаменты, возводимые в открытых, котлованах.

В условиях современного строительства достаточно большое количество фундаментов устраивают в предварительно вырытых открытых котлованах.

По условиям изготовления различают фундаменты монолитные, возводимые непосредственно на месте строительства, и сборные, монтируемые из отдельных, заранее изготовленных элементов. Последний тип фундаментов получил наибольшее распространение, так как он обеспечивает максимальное снижение трудозатрат и существенно сокращает сроки строительства.

По материалу, из которого они изготовлены, фундаменты бывают бетонные, бутобетонные, из каменной или бутовой кладки и железобетонные. В некоторых, достаточно редких случаях в качестве материала фундаментов используют дерево (в водонасыщенных грунтах или при возведении временных сооружений) или металл (для сборно-разборных сооружений).

Фундаменты из каменной и бутовой кладки в настоящее время используют довольно редко, так как они требуют очень больших трудозатрат.

Конструкция фундамента и материал, из которого он изготовлен, должны обеспечивать необходимую прочность, морозостойкость и сопротивляться набуханию, поскольку на подземные конструкции помимо внешних нагрузок вредное влияние оказывают подземные воды. Этим требованиям в наибольшей степени соответствует бетон, а иногда с целью уменьшения расхода цемента используют бутобетон. Существует номенклатура сборных блоков для фундаментов, выполняемых из бетона и бутобетона (сплошные и пустотелые фундаментные, стенные блоки и блоки-подушки небольшой ширины).

Монолитные фундаменты применяют реже, чем сборные, однако они могут оказаться целесообразными при отказе от использования опалубки, т. е. при бетонировании в распор со стенами котлованов и траншей, особенно если последние получены в результате бурения скважин или предварительным вытрамбовыванием.

Наиболее широко распространенным материалом для устройства фундаментов является железобетон, который используют для возведения различных типов фундаментов, как в монолитном, так и сборном варианте, поскольку он обладает требуемой морозостойкостью и водонепроницаемостью (при определенной плотности). Промышленность строительных материалов выпускает широкую номенклатуру сборных конструкций, используя которые можно монтировать фундаменты различных конструктивных решений, удовлетворяющих практически всем запросам промышленного строительства.

По форме фундаменты можно отнести к следующим основным типам: ленточные, отдельные, сплошные и массивные.

По условиям работы фундаменты подразделяют на жесткие, воспринимающие в основном сжимающие усилия, и гибкие, при работе которых образуются деформации изгиба, влияющие на распределение давления по Подошве.

Ленточные фундаменты чаще всего выполняют под стены зданий , иногда для придания большей жесткости и обеспечения выравнивания осадки сооружения используют ленточные фундаменты под колонны в виде одиночных или перекрестных лент. Уменьшения давления по подошве фундаментов данного типа можно добиться только за счет увеличения размеров в поперечном направлении.

Отдельные фундаменты обычно устраивают под колонны каркасных зданий, иногда отдельные фундаменты применяют и под стены бескаркасных сооружений (столбчатые фундаменты), если в основании залегают надежные грунты и нагрузка на фундаменты невелика. Отдельные фундаменты под колонны используют в случаях, когда неравномерности осадок не превышают предельно допустимых значений, поскольку такие фундаменты не оказывают существенного влияния на жесткость зданий и неспособны выравнивать осадки. Изменять давление в основании этих фундаментов можно, варьируя длину и ширину подошвы.

Сплошные фундаменты, работая на изгиб, выравнивают осадки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивая совместную работу основания и всего здания. Наибольшей жесткостью обладают коробчатые фундаменты, которые используют в зданиях, передающих на основание неравномерно распределенные нагрузки значительной интенсивности.

Сплошные фундаменты выполняют, как правило, под всем зданием или сооружением в виде сплошных железобетонных плит. Их можно располагать под стены или колонны. В некоторых случаях для создания большей жесткости сплошной фундамент возводят в плитнр-балочном варианте. Существуют и другие конструктивные решения сплошных фундаментов; они могут быть коробчатыми, а также в виде цилиндрических оболочек или оболочек двоякой кривизны .

Массивные фундаменты выполняют в виде сплошного жесткого массива под все сооружение. Фундаменты данного типа используют при строительстве дымовых труб, доменных печей, опор мостов мачтовых сооружений, отличительной особенностью которых являются относительно небольшие размеры в плане по сравнению с сооружением, при значительных вертикальных и горизонтальных нагрузках, передаваемых на основание

11. Фундаменты, возводимые в открытых котлованах.

К фундаментам, возводимых в открытых котлованах, относятся фундаменты мелкого заложения, которые классифицируются:

- по условиям изготовления разделяют на:

монолитные, возводимые непосредственно в котлованах.

сборные, монтируемые из элементов заводского изготовления.

- по конструктивным решениям разделяют на:

отдельно стоящие фундаменты:

под колонну (опору);

под стены (при малых нагрузках)

ленточные фундаменты:

выполняются под протяженные конструкции (стены);

выполняются под ряды и сетки колонн в виде одинарных или перекрестных лент.

сплошные (плитные) фундаменты

Выполняются в виде сплошной железобетонной плиты, как правило, под тяжелые сооружения. Такие фундаменты разрезаются в плане только осадочными швами, что способствует уменьшению неравномерности осадки сооружения.

массивные фундаменты

Выполняются в виде жесткого компактного железобетонного массива под небольшие в плане тяжелые сооружения (башни, мачты, дымовые трубы, доменные печи, устои мостов и т.п.).

Рис 10.2. Основные типы фундаментов мелкого заложения:

а – отдельный фундамент под колонну; б – отдельные фундаменты под стену; в – ленточный фундамент под стену; г – то же, под колонны; д – то же, под сетку колонн; е – сплошной (плитный) фундамент.

- изготовляют из следующих матреиалов:

железобетон

бетон

бутобетон

каменные материалы (кирпич, бут, пиленные блоки из природных камней)

в отдельных случаях (временные здания) допускается применение дерева или металла.

Железобетон и бетон – основные конструкционные материалы для фундаментов.

Бутовый камень, кирпич и каменные блоки используются для устройства фундаментов, работающих на сжатие и для возведения стен подвалов.

Бутобетон и бетон целесообразно применять при устройстве фундаментов, возводимых в отрываемых полостях или траншеях при их бетонировании в распор со стенками.

Железобетон и бетон можно применять при устройстве всех видов монолитных и сборных фундаментов в различных ИГУ, т.к. они обладают достаточной морозостойкостью, прочностью на сжатие (а для железобетона и на растяжение → действие моментов).

12. Проверка давления на подстилающий слой слабого грунта.

Согласно СНиП 2.05.03—84, проверку несущей способности подстилающего слоя слабого грунта следует производить исходя из условия

y(d+Zi) + a(p-yd)≤R/yn (7.3)

где у —среднее (по слоям) значение расчетного удельного веса грунта, расположенного над кровлей проверяемого подстилающего слоя грунта; допускается принимать y = 19,6 кН/м3; d — заглубление подошвы фундамента мелкого заложения от расчетной поверхности грунта, м; Zi — расстояние от подошвы фундамента до поверхности проверяемого подстилающего слоя грунта, м; а — коэффициент, принимаемый по табл. 1; р— среднее давление на грунт, действующее под подошвой условного фундамента мелкого заложения (1— 2—3—4 на рис. 7.7), кПа; R — расчетное сопротивление проверяемого подстилающего слоя грунта, кПа, определяемое по формуле (3.4) для глубины расположения кровли этого слоя; уn — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,4.

Таблица 1. Значения коэффициента а распределения давления в грунте

При наличии в сжимаемой толщи слабых грунтов необходимо проверить давление на них, чтобы убедиться в возможности применения при расчете основания (осадок) теории линейной деформативности грунтов.

Необходимо, чтобы полное давление на кровлю подстилающего слоя не превышало его расчетного сопротивления, т.е. , где и - дополнительное и природное вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента;

Rz – расчетное сопротивление грунта на глубине кровли слабого слоя, определяют по формуле СНиП, как для условного фундамента шириной bz и глубиной заложения dz.

Все коэффициенты в формуле (іc1, іc2, k, Mq, Mg и т.д.) находят применительно к слою слабого грунта.

; ; ;

;

Расчетная схема к проверке давления на подстилающий слой слабого грунта.

Ш ирину условного фундамента bzназначают с учетом рассеивания напряжений в пределах слоя толщиной z. Если принять. Что давление действует по подошве условного фундамента АВ, то площадь его подошвы будет составлять:

Рис. 10.15. Расчетная схема к проверке давления на подстилающий слой слабого грунта.

13. Определение размеров подошвы жестких фундаментов.

Площадь подошвы предварительно может быть определена из условия:

P_II ≤ R, где

P_II – среднее давление под подошвой фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок при расчете по деформациям;

R – расчетное сопротивление грунта основания, определяемое по формуле СНиП.

Рис. 10.12. Расчетная схема центрально нагруженного фундамента.

Реактивная эпюра отпора грунта при расчете жестких фундаментов принимается прямоугольной. Тогда из уравнения равновесия:

Сложность в том, что обе части выражения содержат искомые геометрические размеры фундамента. Но в предварительных расчетах вес грунта и фундамента в ABCD заменяют приближенно на:

, где

γ_m – среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах; γ_m=20 кН/м³;

d – глубина заложения фундамента, м.

- необходимая площадь подошвы фундамента.

Тогда ширина подошвы (b):

а) в случае ленточного фундамента; A=b·1п.м.:

б) в случае столбчатого квадратного фундамента; A=b²:

в) в случае столбчатого прямоугольного фундамента:

- задаемся отношением длины фундамента (l) к его ширине (b) (т.к. фундамент повторяет очертание опирающейся на него конструкции).

Отсюда:

в) в случае столбчатого круглого фундамента:

b = D – диаметр фундамента.

После предварительного подбора ширины подошвы фундамента b=f(R_o) необходимо уточнить расчетное сопротивление грунта – R=f(b, φ, c, d, γ).

Зная точное R. Снова определяют b. Действия повторяют, пока два выражения не будут давать одинаковые значения для R и b.

После того. Как был подобран размер фундамента с учетом модульности и унификации конструкций проверяют действительное давление на грунт по подошве фундамента.

Рис.

Чем ближе значение P_II к R, тем более экономичное решение.

Этой проверкой мы проверяем возможность расчета по линейной теории деформации грунта.

Если условие не соблюдается, тогда расчет необходимо вести по нелинейной теории, что значительно его осложняет

Из курсака:.

Площадь подошвы определяется по формуле:

А = N_OII/(R_o-γ_mt∙d), (10);

где N_OII – максимальная сумма нормативных вертикальных нагрузок действующих на обрезе фундамента, кН;

N_OII =N_max/1,15+N_ст./1,1=2990/1,15+140/1,1=2600+127,27=2727,3 кН;

R_o – расчетное сопротивление грунта, кПа (песок мелкий средней плотности средней степени водонасыщения);

γ_mt – среднее значение удельного веса грунта и бетона, равное 20 кН/м³.

А = N_OII/(R_o- γ_mt∙d)=2727,3/(300-20∙2,55)=10,95 м².

Размеры подошвы определяют, считая, что фундамент имеет прямоугольную формы. Эта форма предпочтительнее, в отличие от квадратной, при действии на фунда­мент моментов и горизонтальных сил, при этом фундамент ориентируется длинной стороной в плоскости действия наибольшего момента.

Соотношение сто­рон прямоугольного фундамента η=l/b рекомендуется

ограничивать значением η≤1,2-1,5, принимаю η=1,5.

Размеры сторон его подошвы определяются по соотношениям:

b=(А/ η)^0,5=(10,95/1,5)^0,5=2,7 м, (11);

l= η∙b=1,5∙2,7=4,05 м, (12).

Полученные данные округляют до значений кратных модулю 300мм:

b=2700мм, l=4200мм.