1. Общие положения

1. Основные понятия и определения

Основания – это ограниченные по глубине и прости­ранию напластования грунтов, на которых возводят сооруже­ния и которые от собственного веса, приложенных к ним нагру­зок и других воздействий претерпевают вертикальные и горизонтальные перемещения. Ос­нования делятся на естественные и искусственно улучшенные. Пер­вые используют в условиях природного залегания или после незначительной подготовки, а вторые предварительно улучшают различными способами.

Основание, состоящее из одного слоя грунта, называ­ют однородным, а из нескольких пластов – слоистым.

Слой, на котором возводят фундамент, называют несу­щим, а слои, расположенные ниже, – подстилающими.

Фундамент – это заглубленная конструкция, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения на грунты основания.

Подошва фундамента – это нижняя  плоскость фундамента, которая непосредственно опирается на основание и передает силовые воздействия на грунт.

Обрез фундамента – это верхняя  плоскость фундамента, на которой располагаются надземные части здания, т.е., в некотором смысле, граница между конструкцией фундамента и надфундаментной конструкцией. У многих фундаментов, например, у отдельно стоящих железобетонных фундаментов под металлические или сборные железобетонные колонны, положение обреза фундамента очевидно – обрезом фундамента является верх подколонника. Для некоторых фундаментов обрез фундамента не имеет четко выраженного расположения. Например, кирпичные фундаменты для кирпичных стен здания. В этих случаях проектировщик на время выполнения всех расчетов, и фундаментов и надфундаментных конструкций, сам назначает положение обреза и выполняет расчеты в соответствие с принятой расчетной схемой. Так для фундамента под кирпичные стены здания можно за обрез принять отметку размещения слоя горизонтальной гидроизоляции, также можно за обрез принять границу между бетонными блоками или отметку опирания на стены подвала перекрытия подвала и т.п.

Глубина заложения фундамента d - это расстояние от поверхности грунта или пола подвала до подошвы фундамента.

Подошва фундамента должна опираться на достаточно прочные слои грунта, обеспечивающие восприятие нагрузки от фундамента и долговременную эксплуатационную надежность сооружения.

Не рекомендуется опирать фундаменты на свеженасыпные, илистые и заторфованные грунты, рыхлые пески, текучие и текучепластиные глинистые грунты и грунты, содержащие растительные остатки.

Для надежной передачи нагрузки на основание фундамент заглубляют в несущий слой грунта не менее чем на 10-20 см.

Обычно наименьшая глубина заложения ленточного фундамента бесподвальных многоэтажных зданий составляет 1,0 м, а отдельно стоящего под колонны промышленных каркасных зданий - 1,5 м.

В зданиях с подвалами расстояние от пола подвала до подошвы фундамента должно составлять не менее 0,5 м.

2. Проектирование оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций

Основания, фундаменты и надфундаментные конструкции ра­ботают совместно и должны проектироваться как одно единое целое. Для проектирования такой системы следует оценить особенности работы всей системы и каждой из ее составных частей в отдельности.

Параметры взаимодействия фундаментов с конструктивными элементами сооружения зависят от конструктивных характеристик всех составляющих элементов системы основание-сооружение (жесткости-деформативности основания, размеров сечений и жесткостных характеристик материалов конструкций и т.п.). Например, изменение жесткости-гибкости несущих конструкций, их размеров, условий нагружения, эксплуатации и пр. по­влечет за собой изменение условий нагружения фунда­мента и как следствие напряженно-деформированного состояния грунтов основания. В свою очередь, изменение жесткости-деформативности оснований и фундаментов приведет к перераспределению внутренних усилий в надфундаментных конструкциях, в том числе и перерас­пределению нагрузок на фундаменты.

Наибольшее распространение в проектной практике совместных методов проектирования оснований, фун­даментов и надфундаментных конструкций, т.е. системы основание - фундамент - верхнее строение, имеют две группы:

1. Комплексный совместный расчет надземного строения, фундамента и грунтового основания.

2. Использование при проектировании оснований и фундаментов данных о допустимых перемещениях фундаментов, корректирующих коэффициентов и рекомендаций, учитывающих жесткостные особенности сооружения.

Первая группа методов рассматривает сооружение, фундамент и основание как неделимое, совместно деформирующееся целое. При этом используют различные расчетные схемы или расчетные идеализации надфундаментного строения, фундаментов и основания.

Например, каркасное здание на отдельно стоящих фундаментах может быть представлено такой расчетной схемой (рис. 1): надземное строение - рама; фундамент - стержень бесконечной жесткости; основание – упруго податливая связь с жесткостями, эквивалентными жесткости основания. Указанные элементы расчетной схемы сопрягаются между собой жестко, создавая расчетную модель сооружения. Такие системы могут рассчитываться на заданные нагрузки и воздействия с использованием программного обеспечения САПР, например, "SCAD", "Лира-Windows" и др.

Рисунок 1. Расчетная схема рамы:

1 – абсолютно жесткий стержень, моделирующий фундамент; 2 – упруго податливая связь, моделирующая работу основания; 3 – стержни, моделирующие элементы каркаса; q, M, N, W – внешняя нагрузка.

Жесткости С_z, С_ и С_х упруго податливых связей, моделирующих работу грунтового основания, назначаются из уравнений:

(1)

где А_f, I_f - соответственно площадь подошвы фундамента и момент инерции этой площади относительно оси, нормальной к плоскости изгиба; S, ,  - вертикальное перемещение, угол поворота и горизонтальное смещение фундамента.

Расчет системы ведется следующим образом.

Вначале рассматривают раму на не деформируемых опорах. От действующих на сооружение нагрузок и воздействий определяют реакции опор, по которым, в соответствие с расчетными формулами, назначают размеры фундаментов и вычисляются соответствующие перемещения оснований. По формулам (1) вычисляются жесткости упруго податливых связей.

Затем производится расчет рамы на упруго податливых связях, и определяются значения перемещений фундамента, которые сопоставля­ются с деформациями основания при тех же нагрузках. В процессе проектирования размеры конст­рукции фундамента и жесткости связей могут быть откорректированы.

В итоге при проектировании последовательными рас­четами надо добиться, чтобы деформации основания и пе­ремещения фундамента были близки между собой.

Вторая группа методов объединяет приемы оценки совместной работы основания и верхнего строения, в которых жесткость надфундаментных конструкций учитывается приближенно с помощью корректирующих коэффициентов и классификаций сооружений по жесткости. Такие методы разработаны в нормах на проектирование оснований зданий и сооружений и наиболее часто используются на практике в силу их простоты. По сути, в этих методах используется принцип оценки предельных состояний сооружений по обобщенным деформационным критериям, которые установлены либо опытным путем на основании статистической обработки результатов натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, либо на основании предварительного расчета сооружения на смещения опор. Например, для оценки прочности конструкций каркасного здания достаточно вычислить разность осадок его фундаментов и сравнить ее с допустимым значением, рекомендуемым нормами или типовым проектом.

Но в любом случае, каким бы методом проектировщик не пользовался при расчете системы основание – фундамент - сооружение, он должен решить следующие задачи расчета оснований и фундаментов, обеспечивающих надежную эксплуатацию как системы в целом, так и отдельных ее частей:

1. выполнить анализ местных условий строительства;

2. проанализировать технологическое назначение и конструктивное решение сооружения;

3. определить нагрузки, передаваемые на фундамент;

4. наметить возможные варианты оснований и фундаментов;

5. произвести по группам предельных состояний расчет оснований и фундаментов под характерную или наиболее нагруженную надземную конструкцию;

6. выбрать оптимальный вариант оснований и фундаментов;

7. рассчитать и разработать рабочие чертежи фундаментов для всего сооружения;

8. разработать сметную документацию, проекты производства работ и организации строительства.