29. Фундаменти

29.1. Загальні відомості

Фундаментом називають конструкцію, призначену для передавання тиску від будівлі на основу.

Основним матеріалом для фундаментів сьогодні є залізобетон. Використання залізобетонних фундаментів замість кам’яних або бетонних дає змогу значно зменшити глибину їх укладення, оскільки за однієї і тої самої площі підошви фундаменту, визначаємо навантаження і опір ґрунту, висота фундаменту може бути значно менша.

Залізобетонні фундаменти поділяють на такі типи: окремі фундаменти під колони; стрічкові фундаменти під рядами колон або під стінами; суцільні фундаменти в вигляді залізобетонних плит під всією будівлею або його частиною; пальові фундаменти.

Розглянем перші три типи фундаментів.

За способом спорудження окремостоячі і стрічкові фундаменти можуть бути монолітними, будованими на місті і зібраними. Щоб забезпечити спорудження всіх підземних конструкцій до початку монтажу надземних конструкцій і виконати роботу нового циклу, верх фундаментів розміщують на 150мм нижче рівня підлоги першого поверху.

Конструкція монолітних і збірних фундаментів будівель і конструкцій в принципі однакові, для виготовлення фундаментів застосовують бетон класу В15 або В20, а у разі важковантажних фундаментів – класу В30 і вище.

Ціна фундаментів становить 4–6% спільної цінності будівлі. Точного розроблення конструкції фундаментів можливо досягти значного економічного ефекту. Для великих будівель конструкції фундаментів вибирають з порівняльної цінності, витрат матеріалів і трудових витрат за різних варіантів конструктивних вирішень.

Розміри і армування фундаментів визначають за допомогою розрахунку.

29.2. Окремі фундаменти під колони

1. Конструкції фундаментів. Окремі фундаменти – найпоширеніші із всіх типів фундаментів, завдячуючи простоті конструкції і економічності.

У разі центрального навантаження такі фундаменти зазвичай мають квадратну форму плану. За позацентрового навантаження чи за стиснених умов, що запобігають розвитку підошви фундаменту в той чи інший бік, фундаменти можуть мати прямокутний план з відношенням сторін не більше ніж 3:1.

Фундамент рекомендують виконувати симетричними щодо осей колони (площини дії моменту).

Окремі фундаменти застосовують під збірні і монолітні колони; фундаменти під збірні колони можна виконувати монолітними і збірними.

Монолітні фундаменти можуть мати ступінчасту і пірамідальну форму. Фундаменти пірамідальної форми економічніші, ніж ступінчасті за витратою матеріалів, але найскладніші. У виготовленні нині використовуються рідко. Ступінчасті фундаменти влаштовують залежно від висоти з двома, трьома, а за малої висоти і з однією сходинками. Загальну висоту фундаменту і висоту нижньої сходинки визначають за розрахунком. Висоту сходинок приймають кратною 100 мм.

Фундаменти армують по підошві зварними сітками із стрижнів періодичного профілю. Діаметр стрижня повинен бути не менше 10 мм, а їх крок – не більше 200 і не менше 100 мм. Захисний шар бетону для арматури фундаментів, що лежать безпосередньо на ґрунті без підготовки повинен мати 70 мм. У разі сухих пісочних і гравелистих ґрунтів, а також за наявності підготовки з гравію і щебню захисний шар можна зменшити до 35мм.

Збірну колону з’єднують з фундаментом заготовки колони в спеціальні гнізда – стакани, залишаючи в фундаментах під час їх бетонування. Глибина пробілу заготовки колони прямокутного перерізу в стакан фундаменту повинна бути не меншою від більшого розміру поперечного перерізу колони; глибина заготовки в стакан двогілкових колонне менше від половини розміру більшої сторони перерізу всієї колони і не менше півторачного розміру більшої сторони поперечного перерізу гілки колони. Таке з’єднання колон з фундаментами вважають жорстким. Для з’єднання монолітних колон з фундаментом з останніх випускають арматуру площею перерізу, що дорівнює розрахунку площі перерізу арматури колони біля обрізу фундаменту. Випуски арматури фундаменту з’єднують з арматурою колони. Якщо арматура колони в’язана, стик роблять без зварювання, за загальними правилами конструювання стиків арматури.

Збірні фундаменти бувають цільними і багатоблоковими.

Цілі збірні фундаменти стаканного типу виконують ступінчатими звичайно з одною сходинкою зі скосами на поверхні сходів. Для зниження маси збірних фундаментів пропонують різні конструкції ребристих фундаментів. Однак ребристі фундаменти у зв’язку з складністю виготовлення не набули широкого застосування.

За великих розмірів підошви фундаменту і великої їхньої ваги збірні фундаменти виконують складеними з декількох блоків. Найдоцільніше розподілення фундаменту на два блоки: чобіток і плиту. Вага збірних елементів фундаментів досягає 15т, а в окремих випадках і більше.

2. Розрахунок фундаментів. Одиничні залізобетонні фундаменти підколони мають мати такі розміри і таке армування, за яких не виникали б небезпечні для конструкцій будівлі опади і була б забезпечена належна міцність фундаментів. Розрахунок фундаментів складається з двох частин: розрахунку основи і розрахунку самого фундамента.

На підставі розрахунку основи визначають глибину закладання фундаменту і розміри підошви; на основі розрахунку фундаменту за несучої здатності визначають решту його розмірів і площу арматури. Фундаменти будівель і споруд потрібно проектувати так, щоб деформації основи не перевищували допустимих під час нормальної експлуатації, а несуча здатність повинна бути достатньою, щоб не

Рис. 29.1. Монолітні фундаменти збірних колон

Рис. 29.2. Монолітні фундаменти монолітних колон

Рис. 29.3. Збірні фундаменти збірних колон

відбувалася втрата стійкості або руйнування основи.

Під час розрахунку окремих фундаментів жорсткість їх приймають нескінченно великою, а епюру напруги в грунті під підошвою – лінійною. На підошву фундаменту діє вертикальне розрахункове навантаження від колони, вага самого фундаменту і грунт на його обрізах.

Площа підошви окремого центрально-навантаженого фундаменту будь-якої форми в плані під час початкового розрахунку

F_ф = N/(R – γ_ср Н) (29.1)

де N – розрахункове навантаження, що діє на фундамент на рівні розрізу, Н; R – розрахунковий тиск на на грунт основи, МПа; γ_{ср –} середня вага фундаменту і грунту на його виступах, переважно γ_{ср -}= 20кН/м³, Н – глибина закладання фундаменту, м.

Навантаження N складається з тиску, що передається від будівлі на фундамент, маси фундаменту і маси грунту, що лежить на виступах фундаменту. Змінна R залежить від ширини підошви фундаменту, тому F_ф обчислюють за методом послідовних наближень. За одержаною площею F_ф визначають розміри сторін підошви, за центрального навантаження підошву фундаменту зазвичай визначають квадратною в плані.

Після обчислення основи розпочинають розрахунок міцності фундаменту, який передбачає визначення висоти фундаменту, розмірів його ступенів і перерізу арматури.

Висоту фундаменту h обчислюють із розрахунку на продавлювання, вважаючи, що руйнування відбувається на поверхні піраміди, бічні поверхні, що нахилені під кутом 45 ^о до вертикалі

F ≤ αR_bth_oU_ср, (29.2)

де F = N – F_оснp_гр – розрахункова продавлювальна сила; h_о – висота перерізу фундаменту на ділянці, яку перевіряємо; U_ср =2 (b_К = b_Н) /2 + 2(h_к+ h_н)/2 = 2(b_к + h_к+ 2h_о) – середнє арифметичне між периметрами верхньої і нижньої основи піраміди продавлювання; b_к , h_к – периметр верхніх їх основ; b_Н h_н – те саме для нижніх; α – коефіцієнт для важкого бетону вважають таким, що дорівнює 1; для дрібнозернистого бетону – 0,85; R_bt – розрахунковий опір бетону на розтяг; F_осн – площа основи піраміди продавлювання.; p_гр=N/F_Ф – тиск грунту на одиницю площі фундаменту; N – розрахункова сила, що діє на фундамент.

На основі отриманої інформації для важкого бетону корисну висоту фундаменту h_о можна визначити за такою формулою:

h_o=- +

Висоту нижнього ступеня фундаменту h’ визначають з розрахунку перерізу ІІІ – ІІІ. Для смуги одиничної ширини

р_грс<R_bth , (29.3)

де с = (α-h_к- 2h_o)/2; h – робоча висота нижнього ступеня; h_о – те саме, цілого фундаменту.

Площу перерізу арматури фундаменту одержують з розрахунку перерізу І-І і ІІ-ІІ за вигинальними моментами, які визначають як в колонах від дії реактивного тиску грунту по підошві фундаменту.

Моменти в перерізах І-І і ІІ-ІІ (на всю ширину фундаменту) обчислюють із формули:

(29.4)

Площу перерізу арматури обчислюють на всю довжину фундаменту. Часто під час розрахунку приблизно приймають z_b= 0,9 h_o. Тоді площа перерізу арматури в перерізах І-І і ІІ-ІІ

(29.5)

За ширини підошви фундаменту до 3м з двох значень A_sI і A_sII приймають більшим, за яким підбирають діаметр і кількість стрижнів, що розміщуються з однаковим кроком по всій ширині підошви фундаменту.

За прямокутних в плані фундаментів таким самим розрахунком обчислюють кількість арматури в перпендикулярному напрямку.

Мінімально допустимий процент армування фундаменту в обох напрямках приймають як і в гнучких елементах.

У разі спільній дії вертикальних і горизонтальних сил і моментів, так як у разі позацентрового навантаження, фундаменти проектують прямокутними в плані, витягнутими в плоскості дії моменту. Розміри фундаменту в плані повинні бути такими, щоб найбільше навантаження на грунт біля краю підошви від розрахункових навантажень не перевищувало 1,2R. Розміри підошви можна бути визначити за формулою(29.1) як для центрально-навантаженого фундаменту.

Максимальний і мінімальний тиски під краєм фундаменту обчислюють за формулами позацентрового стискання для невигідного навантаження фундаменту у разі дії основного поєднання розрахункових навантажень.

Для прямокутного фундаменту

р = N_ф/F_ф(1±6e_o/α), (29.6)

де 6e_o =М_ф/N_ф – ексцентрититет сил N_ф щодо центра ваги площі підошви фундаменту; М_ф і N_ф – розрахункові момент і поздовжня сила на рівні підошви фундаменту.

Для схеми навантажень

N_{ф =} N+G_ст+γ_срH₁F_ф; (29.8)

M_ф=M+Qh_ф+G_сте_ст, (29.9)

де M,N,Q – розрахунковий момент вигину, поздовжня і поперечна сили в перерізі колони на рівні верху фундаменту; G_ст – розрахункове навантаження від ваги стіни і фундаментної балки.

Бажано, щоб від постійних, довготривалих і короткочасних навантажень тиск був за можливістю рівномірно розподілений на підошву.

Для фундаментів колон будівель, оснащеними мостовими кранами вантажопідйомністю Q > 75т, а також для фундаментів колон відкритих кранових естакад рекомендовано приймати трапецеподібний епюр під стиском на підошві фундаменту з відношенням.

p_min/p_max > 0,25 (29.10)

в будівлях, оснащених кранами вантажопідйомністю Q < 75т, необхідно виконувати умову p_min >о. У будівлях без кранів в окремих випадках допускається епюра. У цьому разі е_о>α/6, і

p_max=2N_ф/by (29.11)

Висоту позацентрово навантаженого фундаменту обчислюють з розрахунку на продавлювання за формулою (29.2).

Рис. 29.4. Збірні одно балочні і складені фундаменти

Рис. 29.5. До розрахунку окремого фундаменту