Раздел 1. Общие положения по проектированию оснований и фундаментов
1.1 Основные понятия и определения. Классификация оснований и фундаментов. Грунты — горные породы, слагающие верхние слои земной поверхности, образовавшиеся в результате выветривания.
Основание — толща грунтов со всеми особенностями их напластования, воспринимающего нагрузку от веса зданий и сооружений.
Фундамент — это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на залегающие на некоторой глубине грунты основания. Плоскость фундамента, опирающуюся на основание, называют подошвой. Поверхность фундамента, на которую опирается надземная конструкция, а также границу между соседними уступами называют обрезом. Слой грунта, на котором располагается подошва, называют несущим слоем, другие слои 5 являются подстилающими. Расстояние от поверхности земли до подошвы называют глубиной заложения фундамента df.
Высота самого фундамента hf, как правило, меньше глубины заложения, поскольку обрез обычно располагается ниже отметки поверхности земли.
Различают
скальные и нескальные основания. Скальным
основанием называют массивные горные
породы с жесткими связями между частицами
грунта, залегающие в виде сплошного или
трещиноватого массива и имеющие
значительную прочность при сжатии.
Нескальные,
или грунтовые, основания представляют
собой толщу несвязных или связных горных
пород, имеющих связи между отдельными
частицами, которые во много раз меньше
прочности самих минеральных частиц. К
этому типу относят основания из
крупнообломочных, песчаных,
пылевато-глинистых грунтов.
а) однородные в пределах заложения фундамента
б) слоистые согласные
в) слоистые несогласные
Нескальные основания подразделяют на естественные и искусственно улучшенные.. Естественные основания разделяют на однородные, сложенные из грунта одного типа и слоистые, причем слоистое основание может иметь согласное или несогласное залегание грунтов. Залегание считают согласным, если уклон отдельных слоев грунта не превышает 1…2%, и несогласным, если пласты залегают невыдержанно, т. е. имеют больший уклон и выклинивание.
Естественным основанием под фундамент сооружения может служить пласт грунта, который защищен от выветривания и обладает достаточной прочностью (малой и равномерной сжимаемостью), трудной размываемо-стью, достаточной мощностью и неподвижностью. В тех случаях, когда грунт по своим механическим свойствам непригоден для использования в качестве естественного основания, возникает необходимость устройства искусственного основания. В простейшем случае устройство искусственного основания может быть достигнуто уплотнением поверхности грунта при помощи вибраторов и механических трамбовок. Более эффективными средствами являются цементация —введение в грунт жидкого цементного раствора под давлением, силикатизация — нагнетание в грунт силикатных растворов (например, жидкое стекло и хлористый кальций), термическая обработка грунта — сжигание горючих продуктов (в скважинах при укреплении лессовых просадочных грунтов).
Фундаменты подразделяют на следующие основные категории: возводимые в открытых котлованах, глубокого заложения и свайные.
Фундаменты в открытых котлованах (рис. а) — это такие фундаменты, которые после возведения в котловане засыпаются грунтом 2 и передают давление на основание преимущественно по подошве.
По форме фундаменты в открытых котлованах фундаменты делятся на ленточные, сплошные, отдельные и массивные.
Ленточные фундаменты устраивают под стены строящихся конструкций, под колонны (одиночные или перекрестные ленты) для обеспечения большей жесткости и выравнивания осадки сооружения. Увеличивая размер ленточного фундамента в поперечном направлении, можно добиться уменьшения давления по периметру подошвы фундамента.
Отдельные фундаменты сооружают при наличии надежных грунтов и малой предполагаемой нагрузки на основание. Выполняют под колонны зданий каркасного типа или под стены бескаркасных конструкций, если неравномерность осадок в пределах нормы, т.к. отдельные фундаменты не оказывают существенного влияния на жесткость строения. Изменяя длину и ширину конструкции фундамента можно изменять давление в основании.
Сплошные фундаменты представляют собой сплошные железобетонные плиты под всем зданием, а также под стенами или колоннами. По конструктивному решению сплошные могут быть плитно- балочными, коробчатыми, в виде цилиндрических оболочек или оболочек двоякой кривизны.
Массивные фундаменты выполняют под дымовыми трубами, доменными печами, под опоры мостов, мачт. Фундаменты такого типа представляют собой сплошной жесткий массив относительно небольших размеров, принимающих значительные горизонтальные и вертикальные нагрузки, передаваемые на основание.
Фундаментами глубокого заложения (рис. б) называют фундаменты, формируемые или погружаемые в грунт с помощью специальных механизмов. Они передают нагрузку на основание как по подошве Ru так и за счет сил трения по боковой поверхности фундамента R2.Необходимость в фундаментах глубокого заложения возникает, если сооружение должно быть опущено на большую глубину (подземные и заглубленные сооружения); если сооружение создает большие нагрузки, а верхние слои представлены значительной толщей слабых грунтов, подстилаемых прочными скальными грунтами; если сооружение передает на основание значительные горизонтальные нагрузки; если имеется высокое залегание грунтовых вод.
Свайным фундаментом (рис. в) называют группу свай, объединенных поверху для совместной работы с помощью специальных плит или балок 3.Свайные фундаменты возводят на участках со слабым грунтом под здания в несколько этажей. Эти фундаменты дают возможность полностью исключить земляные работы в бесподвальных зданиях или сократить их объем при наличии технического подполья. Сваи принимают нагрузку от стен здания и сооружения и передают их нижележащим слоям грунта. Сваи либо забивают в грунт при помощи специальной сваебойной техники (забивные сваи), либо устраивают буро-набивные сваи, заполняя пробуренные скважины бетоном (набивные сваи).
Глубина заложения фундаментов является одним из основных факторов, обеспечивающих необходимую несущую способность и деформации основания, не превышающие предельные по условиям нормальной эксплуатации проектируемого сооружения и находящегося в нем оборудования.
Выбор глубины заложения фундаментов рекомендуется выполнять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов фундаментов. Глубина их заложения должна определяться с учетом:
– назначения, а также конструктивных особенностей сооружения (наличия и размеров подвалов, фундаментов под оборудование и т.д.);
– размера и характера нагрузок и воздействий на фундаменты;
– глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, фундаментов под оборудование, глубины прокладки 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, пустот, образовавшихся вследствие растворения солей и пр.);
– гидрогеологических условий площадки (уровней подземных вод и верховодки, а также возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации сооружения, агрессивности подземных вод и т.п.);
– глубины сезонного промерзания грунтов
1.2 Исходные данные для проектирования оснований и фундаментов. Характеристики строящегося здания. Нагрузки и воздействия. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки. Природно-климатические условия региона.
Основания сооружений должны проектироваться на основе:
а) результатов инженерно-геодезических, инженерно-геологических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для строительства;
б) данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации;
в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений (с оценкой по приведенным затратам) для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов или других подземных конструкций.
На выбор конструкций фундаментов и оснований влияют следующие факторы:
— грунтовые условия строительной площадки;
— конструктивные и эксплуатационные характеристики дома;
— природно-климатические условия региона строительства.
Основные характеристики строящегося здания:
Этажность
Примерный уровень нагрузок на фундаменты, кН
Тип несущих конструкций
Шаг несущих конструкций
Наличие подвала
Наличие подземных помещений
Количество этажей подземного
помещения, эт.
Тип фундаментов
Предельные деформации оснований (по прил.4 СНиП 2.02.01-83*): относительная разность осадок, крен, средняя осадка.
Расчет оснований и фундаментов следует производить с учетом возможных неблагоприятных для отдельных элементов или сооружения в целом сочетаний нагрузок и воздействий, которые могут действовать при строительстве или эксплуатации.
При расчете необходимо рассматривать следующие сочетания:
основные, составляемые из постоянных, временных длительно действующих и одной из кратковременно действующих нагрузок или воздействий (наиболее существенно влияющей на напряженное состояние грунтов основания);
дополнительные, составляемые из постоянных, временных длительно действующих и двух или более кратковременно действующих нагрузок и воздействий;
особые, составляемые из постоянных, временно длительно действующих, некоторых кратковременно действующих и особых нагрузок и воздействий.
Проектирование оснований и фундаментов любого здания или сооружения предшествуют инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания на строительной площадке. Для этого проходят несколько выработок (шурфов и скважин) и уточняют характер и мощность пластов грунтов, залегающих под фундаментами проектируемого сооружения.
Оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства начинается с описания географического расположения площадки строительства, рельефа местности, величины и направления уклонов. Рассматривается геолого-литологические условия площадки (размещение и глубина выработок, характеристики грунтов сверху вниз с указанием мощности пластов и линз слабых грунтов, особенностей залегания, положения уровня подземных вод). По результатам проведенной оценки инженерно-геологических условий строительной площадки делается вывод о том, на какие неблагоприятные факторы в совместной работе оснований и фундаментов необходимо обратить внимание в процессе дальнейшего проектирования и дать оценку в отношении возможности использования грунтов в качестве основания с учетом вероятных осадок, а также их неравномерности.
Материалы инженерно-геологических испытаний, используемых при расчете фундаментов:
Плотность грунта ненарушенной структуры;
Плотность твердых частиц грунта;
Природная влажность грунта;
Гранулометрический состав;
Коэффициент пористости
Глубина закладки фундамента жилого дома также зависит от района строительства и определяется глубиной промерзания грунта.
