2 Анализ инженерно-геологических условий площадки строительства

При оценке инженерно-геологических условий площадки строительства устанавливают пригодность тех или других грунтовых напластований к их использованию в качестве естественного основания фундаментов. При этом, проектом должна быть предусмотрена срезка плодородного слоя почвы для последующего использования в целях озеленения района застройки или рекультивации сельскохозяйственных угодий. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки включает в себя:

– построение геологических разрезов по скважинам, наиболее точно характеризующим грунтовые напластования в рассматриваемых сечениях фундаментов;

– качественную характеристику грунтовой толщи и оценку пригодности использования инженерно-геологических слоев в качестве естественного основания.

На основании анализа физико-механических свойств грунтов делается вывод о пригодности каждого слоя грунта к использованию в качестве естественного основания фундаментов проектируемого здания или сооружения. Необходимо сделать вывод о возможности использования в качестве естественного основания в первую очередь ближайшего к поверхности, а затем всех грунтовых пластов, слагающих строительную площадку. Каждый слой грунта оценивается с точки зрения однородности, сжимаемости, прочности, а также возможных изменений этих свойств во времени и от различных обстоятельств.

Грунт считается малосжимаемым, если для него коэффициент относительной сжимаемости m_v 0,05 МПа^-1. Грунты относятся к сильносжимаемым при m_v0,5 МПа^-1 и Е₀ 5 МПа. Глинистый грунт считается слабым, если коэффициент пористости для супеси е0,7, суглинка е1,0 и для глины е1,1, а также если он находится в текучепластичном или текучем состоянии. Прочными являются грунты в полутвердом и твердом состояниях.

При наличии слабых или сильносжимаемых грунтов (рыхлые пески, заторфованные грунты, просадочные грунты и др.) мощностью до 3 м необходимо пройти эту мощность грунтов, оперев подошву фундамента на более прочный, малосжимаемый нижерасположенный грунт. Если прочность слабых грунтов превышает 3 м или имеются прослойки слабых грунтов, то эти грунты можно использовать в качестве основания лишь с применением инженерных мероприятий (уплотнение, закрепление грунтов различными способами), которые позволят повысить прочность слабых грунтов и уменьшить возможные неравномерные осадки грунта под зданием.

3 Вариантное проектирование фундамента под наиболее нагруженную колонну

3.1 Расчет и проектирование столбчатого фундамента на естественном основании

3.1.1 Выбор глубины заложения подошвы фундамента

Глубина заложения фундамента зависит в основном от трех факторов: инженерно-геологических условий, климатических условий, конструктивных требований.

Учитывая конструктивные особенности возводимого сооружения, необходимо учитывать следующие условие заделки колонн в фундамент. Так как стык колонны с фундаментом сборный, то уровень обреза фундамента должен совпадать с уровнем поверхности грунта (для того, чтобы можно было закончить работы нулевого цикла до начала монтажа колонн). Толщина дна стакана должна быть не менее 200 мм. Зазоры между колонной и стенками стакана принимают следующими: понизу – не менее 50 мм, поверху – не менее 75 мм. Глубина стакана принимается не менее большего размера поперечного сечения колонны и не менее 25-30 диаметров рабочей (продольной) арматуры колонны см. рисунок 4.1. Следовательно, глубина заложения подошвы столбчатого фундамента под железобетонную колонну должна быть не менее:

– для здания без подвала

; (3.1)

(3.2)

или

(3.3)

В качестве расчетной принимается максимальная величина .

где – высота фундамента;

– толщина бетонной плиты под стаканом, принимается не менее 0,2 м;

– рихтовочный зазор под колонну, принимается равным 0,05 м;

– глубина заделки колонны в стакан, принимается не менее большей стороны сечения колонны, м;

– глубина заделки колонны в стакан, принимается не менее 25-30 диаметров рабочей (продольной) колонны, м;

- толщина конструкции пола, принимается равной 0,15 м;

– для здания с подвалом

(3.2)

где – глубина подвала от уровня планировки, м;

Рисунок 3.1 - Схема определения глубины заложения столбчатого фундамента в зависимости от конструктивных особенностей:

Глубина заложения фундамента от уровня планировки с учетом инженерно-геологических условий площадки назначается таким образом, чтобы подошва фундамента была заглублена в несущий слой не менее чем на 0,3 м, а мощность несущего слоя под подошвой была бы не меньше 0,5 м. Для определения мощностей слоев грунта по оси фундамента производится привязка здания или сооружения к геологическому разрезу (рис. 4.2).

Глубина заложения подошвы фундамента не зависит от глубины сезонного промерзания, если под подошвой фундамента залегают: крупнообломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средней крупности;а также пески мелкие и пылеватые, если УГВ ниже подошвы фундамента более чем на 2 м.

В остальных случаях глубина заложения фундамента принимается в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания (т.е. учитываются климатические условия)грунта (табл. 38[17]), которая определяется по формуле

,м (3.3)

где – нормативная глубина промерзания, принимаемая для суглинков и глин по схематической карте нормативных глубин промерзания рис.4 [17]. Для песков и супесей значения d_fn, найденные по карте, необходимо увеличивать на 20%, т.е. умножать на коэффициент 1,2. ;

– коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемых сооружений – по таблице 37[17]; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений - k_f = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой.

В качестве окончательной глубины заложения фундамента принимается наибольшая из величин, полученных при анализе вышеуказанных факторов.

Глубина заложения фундаментов отапливаемых сооружений по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания должна назначаться:

а) для наружных фундаментов (от уровня планировки) по таблице 38 [17];

б) для внутренних фундаментов – независимо от расчетной глубины промерзания грунтов.

Рисунок 3.2 – Схема привязки здания к инженерно-геологическому разрезу

3.1.2 Определение размеров фундамента в плане

Определение размеров подошвы фундамента производится графическим методом исходя из совместного выполнения трех условий:

,

, (4.4)

,

где – среднее давление по подошве фундамента, кПа;

– расчетное сопротивление основания, кПа;

и – соответственно максимальное и минимальное краевые давления, кПа.

При этом для центрально нагруженных фундаментов достаточно соблюдения одного условия

. (3.5)

Необходимо учесть, что основание и фундаменты рассчитываются по 2-м группам предельных состояний: по I группе – по прочности и несущей способности; по II группе – по деформациям.

При расчете оснований и фундаментов по I группе предельных состояний используют расчетные усилия:

N_I = N_n * _f

Q_I = Q_n * _f

M_I = M_n* _f

где _f - коэффициент надежности по нагрузке принимают по [14]; обычно _f1 при расчете по I группе предельных состояний.

При расчете оснований и фундаментов по II группе предельных состояний используют расчетные усилия:

N_II = N_n * _f

Q_II = Q_n * _f

M_II = M_n* _f

где _f = 1.

Среднее давление под подошвой фундамента определяют по формуле:

(3.6)

где – результирующая вертикальная сила на обрез фундамента, кН;

A – площадь подошвы фундамента, м;

– осредненный удельный вес фундамента и грунта на его уступах (принимается в диапазоне 20…22 кН/м3);

d – глубина заложения подошвы фундамента от поверхности планировки, м.

(3.7)

где N_II – расчетная нагрузка по II группе предельных состояний, кН;

R₀ – условное расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента, кН/м² принимается по таблицам [7];

d – глубина заложения фундамента, считая от планировочной отметки около фундамента или пола подвала, м.

Размеры центрально нагруженного фундамента в первом приближении определяется по формуле:

(3.8)

Размеры внецентренно нагруженного фундамента в первом приближении определяется по формуле:

После определения площади определяют размеры сечения подошвы:

(3.9)

где коэфициент отношения большей стороны к меньшей для внецентренно нагруженных фундаментов рекомендуется принимать в диапазоне 1,2…1,8 в зависимости от соотношения вертикальной нагрузки и изгибающего момента, действующих на обрез фундамента

Краевые давления под подошвой фундамента находят по формуле:

(3.10)

где – результирующая горизонтальная сила на обрез фундамента, кН;

W – момент сопротивления подошвы фундамента (для фундаментов: прямоугольных W = b×l²/6; круглых W = π×r³/4; ленточных W = b²/6).

Расчетное сопротивление грунта R характеризует уровень напряжений в грунте, при котором основание еще можно считать линейно деформируемой средой. В соответствии с требованиями СНиП [7] R находят по формуле:

(3.11)

где и – соответственно коэффициенты условий работы грунтового основания (табл. 3 [12] или 43 [17]);

k – коэффициент, принимаемый равным k = 1 – если прочностные характеристики грунта ( и ) определены непосредственными испытаниями и k = 1,1 – если они определены по таблицам прил. 1 [12];

, и – коэффициенты. зависящие от значения грунта, залегающего под подошвой фундамента (табл. 4 [12] или 44 [17]);

– коэффициент, принимаемый равным: при b< 10 м – = 1, при b ³ 10 м – = b + 0,2, (здесь = 8 м);

b – ширина подошвы фундамента;

и ΄ – осредненные расчетные значения удельного веса грунтов,

залегающих соответственно ниже и выше подошвы фундамента;

– расчетное значение удельного сцепления грунта под подошвой фундамента;

– расчетное значение глубины заложения фундамента;

– расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (при ширине подвала В 20 м и глубине более 2 м = 2 м, при В > 20 м = 0).

Расчетные значения , и находятся для слоя грунта толщиной z ниже подошвы фундамента: z=b/2 при b< 10 м и z= +0,1 b при b 10 м ( = 4 м).

Если толща грунтов, расположенных ниже подошвы фундаментов в пределах указанного диапазона, неоднородна по глубине, то принимаются осредненные значения ее характеристик, определяемых по формуле

(3.12)

где Xi – значение характеристики i-того инженерно-геологического элемента;

hi – толщина i-того инженерно-геологического элемента (ИГЭ).

Если уровень грунтовых вод (УГВ) находится выше глубины z, определение расчетных значений и ΄производится с учетом взвешивающего действия воды, то есть в формулу (4.11) для ИГЭ, расположенных ниже УГВ подставляются значения удельного веса взвешенного в воде грунта .

Если уровень грунтовых вод (УГВ) находится выше глубины z, определение расчетных значений и ΄производится с учетом взвешивающего действия воды, то есть в формулу (5.16) для ИГЭ, расположенных ниже УГВ подставляются значения удельного веса взвешенного в воде грунта . Расчетная глубина заложения фундаментов для зданий с подвалом определяется как приведенная глубина заложения от пола подвала по формуле

, (3.13)

где – удельный вес материала пола подвала, для ж/б плиты принимать 22…24 кН/ ;

– толщина конструкции пола подвала, м.

– толщина слоя грунта выше подошвы фундамента с стороны подвала, м;

Предварительное определение размеров подошвы фундамента рекомендуется производить графическим методом. Графический метод состоит в следующем:

В системе координат (по оси абсцисс b в метрах, по оси кординат P, R в кПа) строятся графики уравнений , , .Формула (4.6) является уравнением прямой , формулы (4.10) и (4.11) – уравнениями гиперболы , .Чтобы построить график зависимости , необходимо определить величины R при двух значениях b (например, при b=0 и при b=4 м). Чтобы построить графики зависимости или , необходимо определить их величины при нескольких (рекомендуется не менее четырех) значениях b (например, при b=1 м при b=2 м, b=3 м и b=4 м).Чтобы построить графики зависимости ,или необходимо определить их величины при нескольких (не менее трех) значениях b (например, при b=2 м, b=3 м и b=4 м). Построение графиков выполнять на листе миллиметровой бумаги формата А4 в произвольном масштабе. Результаты расчетов рекомендуется приводить в табличной форме. Пересечения графиков с и с дадут два значения b, при которых будут выполняться условия Pcp R и Pmax 1.2R (рис. 4.3). В качестве окончательной ширины подошвы фундамента принимается большее значение, округленное с точностью до десятых. При этом, учитывая погрешности построения графиков, необходимо выполнить проверки условий (4.4, 4.5) с принятым значением ширины подошвы фундамента. В случае невыполнения условий (4.4, 4.5) более чем на 5% требуется корректировка размеров фундамента в сторону их увеличения.

Рисунок 3.3 – Графический способ определения ширины подошвы фундамента

3.1.3 Проверка высоты фундамента из условия продавливания дны фундамента колонной

Продавливание осуществляется по поверхности пирамиды с наклоном боковых граней под углом 45^°, равным углу распределения давления в бетоне, а верхним основанием пирамиды является площадь сечения колонны. Фундамент рассчитывают на продавливание, если его очертание выходит за пределы пирамиды продавливания.

Проверка фундамента по прочности на продавливание колонной от дна стакана при действии продольной силы N (рисунок 4) производится из условия:

NblR_btb_mh_0,p/A_{0 ,} (3.14)

где N – расчетная продольная сила, действующая в уровне торца колонны, определяется из условия

N=N_I

 - коэффициент, учитывающий частичную передачу продольной силы N_I на плитную часть фундамента через стенки стакана и принимаемый равным

 = (1 - 0,4R_btA_c/N_I), (3.15)

но не менее 0,85;

R_bt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, принимаемое с необходимыми коэффициентами условий работы _b2 и _b3 в соответствии с таблицей 15 [16];

А_с = 2(b_c + l_c)d_c – площадь боковой поверхности колонны, заделанной в стакан фундамента;

А₀ – площадь многоугольника abcdeg (см. рисунок 4.4), равная

A₀ = 0,5b(l-l_p-2h_0,p)-0,25(b-b_p-2h_0,p)² (3.16)

B_m = b_p + h_0,p (3.17)

где b_m – средняя ширина пирамиды продавливания, м;

h_0,p – рабочая высота пирамиды продавливания от дна стакана до плоскости расположения растянутой арматуры, м;

b_p, l_p – размеры по низу меньшей и большей сторон стакана (см. рисунок 4), м.

Если условие (4.14) выполняется и толщина дна стакана, принятая вначале, достаточна, то общую высоту фундамента не меняют. Если же по расчету требуется большая толщина дна стакана, то необходимо изменить высоту фундамента с учетом требуемой толщины дна стакана. Соответственно, необходимо рассмотреть возможное изменение глубины заложения фундамента.

Рисунок 3.4 - Схема образования пирамиды продавливания.

3.1.4 Расчет осадки основания фундамента

Расчет осадки основания выполняется с целью установления соответствия требованиям, при которых конечная осадка основания и относительная разность осадок не должны превышать предельно допустимых значений, принимаемых по таблице 72 [17] в зависимости от типа сооружения:

(3.18),

. (3.19)

Конечная осадка основания S с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением сжимаемой толщи определяется методом послойного суммирования по формуле:

, (3.20)

где b – безразмерный коэффициент, равный 0,8;

– среднее значение дополнительного вертикального напряжения в i-том элементарном слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней и нижней границах i–того элементарного слоя, кПа;

и – соответственно толщина и модуль деформации i-того элементарного слоя грунта;

n – число слоев, на которое разбита сжимаемая толща грунта.

Разбиение сжимаемой толщи производится на однородные элементарные слои толщиной, не превышающей 0,4 ширины подошвы фундамента ( 0,4 b).

Рекомендуется принимать толщину элементарных слоев равную 0,2 b или 0,4 b.

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяются по формуле

, (3.21)

где a – коэффициент, учитывающий распределение дополнительных напряжений по глубине, определяемый по таблице 55 [17] в зависимости от соотношения сторон подошвы фундамента = l/ b и относительной глубины, равной = 2z / b;

Дополнительное вертикальное давление на основание (для фундаментов шириной b 10 м принимается = ):

(3.22)

– вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне заложения подошвы фундамента.

При планировке срезкой вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне заложения подошвы фундамента принимается , при отсутствии планировки и планировке подсыпкой

, (3.23)

де – удельный вес грунта расположенного выше подошвы фундамента;

– глубина заложения фундамента от поверхности планировки;

– глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа.

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле

(3.24)

где и – соответственно удельный вес и толщина i-того элементарного слоя;

m – количество элементарных слоев, расположенных выше глубины z.

Для слоев водопроницаемого грунта, расположенных ниже уровня грунтовых вод, но выше водоупора, удельный вес грунта определяется с учетом взвешивающего действия воды по формуле (5.3). При определении в водоупорном слое следует учитывать давление столба воды, расположенного

выше водоупора. Это давление составляет , где = 10 кН/м3 – удельный вес воды; – мощность слоя грунтовых вод, м. В качестве водоупора, рекомендуется принимать глины или суглинки, имеющиеe≤0,5 и I_L≤ 0,1. Нижняя граница сжимаемой толщи основания (НГСТ) принимается на глубине z = Hc, где выполняется условие

. (3.25)

Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи располагается в грунте с модулем деформации E ≤ 5 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Hc, то НГСТ определяется исходя из условия

(3.26)

Как правило, нижнюю границу сжимаемой толщи определяют графически.

Для этого на расчетной схеме (рис. 4.5) строят эпюры напряжений в одинаковом масштабе. Слева от оси фундамента наносят эпюру напряжений от собственного веса грунта, справа – эпюру дополнительных напряжений. Затем справа производят построение вспомогательной (уменьшенной в пять раз) эпюры напряжений от собственного веса грунта. В точке пересечения вспомогательной эпюры с эпюрой дополнительных давлений находится НГСТ.

Расчеты осадок в элементарных слоях рекомендуется выполнять в табличной форме справа от эпюры напряжений, имеющей следующий вид:

Рисунок 3.5 – Расчетная схема к определению осадки фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования

Полная осадка фундамента S определяется суммированием осадок элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи.

Предельное значение совместной деформации основания и сооружения, допускается принимать по приложению 4 [12].

Если расчетная величина осадки фундамента мелкого заложения составляет менее 40% от предельно допустимой величины S_u, размеры подошвы фундамента корректируют, исходя из более высокого значения расчетного давления на грунт (расчетное давление на грунт увеличивают на 20 %).

Конструктивные указания по устройству фундамента:

Независимо от грунтовых условий под фундаментами устраивают

подготовку: под монолитными – бетонную толщиной 100 мм из бетона класса В3,5; а под сборными – из песка средней крупности слоем 100 мм. Для монолитных фундаментов принимают бетон класса не ниже В12,5, а для сборных – не ниже В15. Отметка верха фундаментов принимается на 150 мм ниже отметки чистого пола зданий. Минимальная толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры: у сборных фундаментов – 30 мм, у монолитных фундаментов – 35 мм (при наличии бетонной подготовки). Монолитные фундаменты рекомендуется проектировать с плитной частью ступенчатого типа.

Высоту фундамента и размеры в плане плитной части и подколонника следует назначать кратными 300 мм. Толщина дна стакана фундамента назначается по расчету, но не менее 200 мм. Зазоры между стенками стакана и колонны принимаются по низу 50 мм, а по верху – 75 мм. Для возможности рихтовки колонны глубина стакана принимается на 50 мм больше глубины заделки.