книги из ГПНТБ / Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие

Г л а в а III

ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЕ

§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Массив грунта, воспринимающий давление от сооружения, назы­ вается естественным основанием, или просто основанием. Если грунты не обладают достаточно высокой несущей способностью, то в ряде случаев бывает целесообразньщ их искусственное упроч­ нение: уплотнение, цементирование, химическая обработка и пр. Такое улучшенное основание называется и с к у с с т в е н н ы м .

в пределах зоны выветривания, часто представляют собой весьма не выдержанные по свойствам покровные, делювиальные, аллюви­ альные и другие отложения, неоднородные по глубине и прости­ ранию. Кроме того, свойства их под влиянием естественных про­ цессов выветривания или под воздействием сооружения или дру­ гой инженерной деятельности человека могут меняться во вре­ мени. Поэтому в большинстве случаев фундаменты опирают не непосредственно на поверхность грунта, а с заглублением, величи­ на которого определяется либо глубиной залегания достаточно Прочных разностей грунтов, либо другими требованиями (глубина промерзания и пр.). В ряде случаев фундамент используется не только как элемент сооружения, передающий давление от соору­ жения на основание, но и для других целей, например для устрой­ ства подвальных помещений, тогда его глубина не определяется особенностями геологического строения.

На рис. 20 показана схема фундамента на естественном осно­ вании. Верхняя граница, отделяющая фундамент от надзем­ ной части сооружения, называется о б р е з о м фундамента (б), а нижняя, опирающаяся на основание, — п о д о ш в о й (а—в). Рас­ стояние от поверхности грунта до подошвы фундамента (h) на­ зывается г л у б и н о й его з а л о ж е н и я .

Всякий фундамент создает в толще грунтов основания напря­ женное состояние, вызванное нагрузкой от сооружения. На схеме напряженного состояния толщи грунтов основания (рис. 20) пока­ заны эпюра природного давления от веса грунта, слагающего основание (1), и эпюра дополнительного давления, вызванного нагрузкой от сооружения (2). Природное давление возрастает с глубиной, а давление, вызванное сооружением, постепенно умень­ шается. На какой-то глубине это давление от сооружения будет настолько малым, что его влиянием можно пренебречь. Эту глу­

51

нормативным положениям за глубину активной зоны принимают такую, на которой дополнительное давление от сооружения сос­ тавляет 0,2 от природной нагрузки (глубина 3 на той же схеме рис. 20).

В зависимости от размеров сооружения в плане, формы и раз­ меров фундамента, интенсивности давления, создаваемого соору­ жением, меняется глубина ак­ тивной зоны, т. е. мощность мас­ сива грунта, слагающего основа­

ние.

Под действием давления, соз­ даваемого сооружением, массив грунтов, являющийся основанием, будет сжиматься и будет проис­ ходить о с а д к а фундамента и связанного с ним сооружения. При однородном строении грун­ тового массива и одинаковом давлении от различных частей сооружения вертикальное переме­ щение фундаментов (их осадка) будет равномерным. При неодно­ родном строении и разном дав­ лении под различными частями сооружения осадка фундамента будет неравномерной.

При нагрузке от сооружения, превышающей несущую способ­ ность грунтов основания, дефор­

мации могут выити за пределы допустимых, кроме того, может произойти нарушение устойчивости массива грунтов, что также недопустимо для сооружения.

На фундаменты передаются различные нагрузки от соору­ жения и окружающего грунта, причем некоторые из них прило­ жены по обрезу фундамента, а некоторые по боковым граням. По­ дошва фундамента испытывает реакцию основания, а в некото­ рых случаях — статическое или динамическое противодавление воды.

Основные случаи действия на фундамент нагрузок можно све­ сти к следующим четырем схемам (рис. 21):

А. К фундаменту приложена сосредоточенная сила (Р), на­ пример от колонны с шарнирной пятой.

Б. На фундамент передается сосредоточенная сила (Р ) с оп­ ределенным моментом (Мо) и эксцентриситетом, например колон­ на с плоской пятой.

52

Рис. 21. Схемы приложения нагрузок на фундаменты

Каждая из этих нагрузок, а также действующие моменты мо­

неподвижного оборудования, давление земляных масс и т. д. Это

и т. п.). По времени действия эти нагрузки могут быть длительны­ ми, кратковременными или мгновенными, а по характеру дейст­ вующих сил статическими или динамическими (ударными или вибрационными).

На фундамент оказывает давление среда, в которой он нахо­ дится, — это давление грунта на уступы и боковые грани фунда­ мента (вертикальное и боковое давления) и давление воды. При заглублении фундамента ниже уровня грунтовых вод вода будет оказывать взвешивающее давление на подошву фундамента, ко­ торое называется п р о т и в о д а в л е н и е м . В ряде случаев глубо­ кого заложения фундаментов и для напорных гидротехнических сооружений (особенно для высоких плотин) значимость противо­ давления в общем балансе сил, действующих на фундамент, мо­ жет быть очень велика.

По характеру действия противодавление может быть гидро­ статическим (равномерное давление взвешивания) и гидродина­ мическим (неравномерное давление из-за разности напоров воды по сторонам от сооружения и возникновения фильтрационного по­ тока под ним).

В соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП, ч. II, раздел Б, гл. 1, 1962), обязательными для всех ви­ дов строительства, в настоящее время все поверочные расчеты и

53

вообще все проектирование как фундаментов, так и всего соору­ жения в целом ведется по предельным состояниям. Под предель­ ным подразумевается такое напряженное состояние конструкции и основания сооружения, когда при малейшем увеличении нагруз­ ки происходит нарушение прочности и устойчивости и сооружение перестает удовлетворять предъявляемым к нему требованиям —■ наступают потеря устойчивости и разрушение, возникают недопу­ стимые деформации и т. п.

Проектирование оснований по предельным состояниям произ­ водится исходя из двух условий: предельного состояния по дефор­

обязательным при проектировании оснований всех видов сооруже­

ний.

Расчет по предельной устойчивости является обязательным только для сооружений, воспринимающих горизонтальные нагруз­ ки (плотины, подпорные стенки и т. п.), а также когда основание ограничено откосами.

При расчетах оснований по предельным состояниям применя­ ются дифференцированные коэффициенты запаса величиной обыч­ но от 1,1 до 1,4 в зависимости от коэффициента перегрузки, стадии проектирования, капитальности сооружения и т. п.

В связи с тем что при проектировании фундаментов основным является расчет по допустимой деформации, следует иметь в виду, что все сооружения и связанные с ними фундаменты могут быть разделены по их чувствительности к осадкам на две группы: чувствительные и нечувствительные к неравномерным осадкам.

Наименее чувствительны к неравномерным осадкам очень жесткие, массивные сооружения, которые деформируются как еди­ ное целое. Примером таких сооружений являются фундаменты массивных опор, доменных печей и т. п. Такие сооружения назы­

лениям и представляющие собой жесткие рамные конструкции, покоящиеся на перекрестных фундаментах.

К категории о т н о с и т е л ь н о ж е с т к и х (полугибких) от­ носятся сооружения, состоящие из элементов, связанных преиму­ щественно в одном направлении, —■рама или ферма, лежащая на отдельных фундаментах, связанных перекрытием.

Н е ж е с т к и е (гибкие) сооружения —• это такие, в которых отдельные элементы связаны слабо или шарнирно и поэтому допу­ скают довольно большие взаимные смещения (балки, свободно ле­ жащие на отдельно стоящих колоннах, трехшарнирные арки и др.).

Выбор типа фундамента по его жесткости производится на

основании анализа ожидаемых деформаций, сравнения их с до­ пустимыми.

54

Типы и конструкции фундаментов

Проектирование фундаментов представляет собой часть об­ щего процесса проектирования сооружения, но решается в значи­ тельной степени с учетом ижненерно-геологических особенностей опирания сооружения на массив грунтов, слагающих основание.

3) условия устойчивости (величина несущей способности основа­ ния в связи с допускаемой деформацией); 4) способ постройки.

Выбор материала является весьма ответственной задачей. Для капитальных (долговременных) сооружений в качестве ма­ териала для фундаментов применяют каменную кладку, бетон и железобетон, т. е. материалы, длительное время сохраняющие в грунте свою прочность. Для фундаментов временных сооружений допускается применение менее долговечных материалов, в том числе дерева.

Каменная кладка производится из постелистого или рваного

и долговечности не уступает каменной кладке. Однако в эконо­ мическом отношении он иногда проигрывает бутовой кладке.

Вусловиях современного индустриального строительства ши­ роко используются сборные железобетонные фундаменты, отдель­ ные элементы для которых выпускаются заводами железобетон­ ных изделий. Существует несколько стандартных типо-размеров таких элементов.

Взависимости от условий работы конструкции применяют жесткие и гибкие фундаменты. Первые из них не должны испыты­ вать изгибающих усилий и работают на сжатие, вторые же (гиб­ кие) работают преимущественно на изгиб. Фундаменты некото­ рых сооружений представляют собой сложные конструкции, кото­

рые можно рассматривать как системы, состоящие из отдель­ ных элементов более простого типа.

Среди фундаментов различают следующие простые виды кон­ струкций:

1.Одиночный фундамент или массив.

2.Фундамент-стенка (непрерывный фундамент), загруженный

непрерывной нагрузкой.

3.Ленточный фундамент, загруженный группой сосредоточен­ ных нагрузок.

4.Сплошной фундамент-плита.

Всложных фундаментах современных зданий и сооружений не трудно узнать комбинации из этих простейших типов фунда­

ментов.

55

дамент для кирпичной или каменной стены (рис. 23). При равно­ мерной погонной нагрузке ширина такого фундамента по всей дли-

не будет одинаковой. Если же на части длины эта нагрузка ме­ няется, то соответственно должна измениться и ширина фундамен­ та, с тем чтобы удельное давление на основание оставалось оди­ наковым по всей длине фундамента.

В условиях сборного домостроения фундамент-стенка будет иметь конструкцию, изображенную на рис. 24, где нижняя часть фундамента собирается из железобетонных плит, на которые опи­ раются блоки, создающие стену здания.

Л е н т о ч н ы е фундаменты применяются при слабых грун­ тах основания, когда отдельные фундаменты следует опереть на жесткую ленту, что позволит более равномерно перераспределить напряжение в основании. При этом в фундаменте неизбежно воз­ никают продольные изгибающие моменты. Поэтому железобетон, хорошо работающий на изгиб, является лучшим материалом для этого типа фундаментов.

В некоторых случаях, например для создания лучшей сейс­ мостойкости сооружения, оказывается целесообразным объеди­ нить отдельные фундаменты продольными и поперечными лен­

56

тами и получить таким образом фундамент повышенной жест­ кости.

Если тяжелое сооружение нужно опереть на слабые грунты, применяют сплошные фундаменты. Конструкции их в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий, а также назна­ чения надземной части сооружения могут быть различными: мас­

сив большой толщины из каменной кладки или бетона, жесткая, плоская, ребристая или безбалочная железобетонная плита и т. п.

В зависимости от особенностей инженерно-геологической обстановки, условий устойчивости основания и фундамента, а так­ же назначения сооружения фундаменты могут иметь различную глубину заложения. По этому признаку различают фундаменты мелкого и глубокого заложения.

Фундаменты мелкого заложения, заглубленные обычно не свыше 5 м от дневной поверхности, возводят преимущественно в открытых котлованах без принятия специальных мер по поддер­ жанию устойчивости откосов котлована, откачки вод и т. п. Про­ ходка таких котлованов не сложна и производится простейшими методами.

Фундаменты глубокого заложения часто требуют специаль­ ных и сложных методов ведения строительных работ, принятия мер по защите котлована от притока вод, поддержания устойчи­ вости его стенок и т. п. Ниже эти случаи будут рассмотрены от­ дельно.

Часто в практике строительства поверхностные грунты оказы­ ваются слабыми, а условия для сооружения фундаментов глубо­ кого заложения — сложными. В таких случаях бывает целесооб­ разным создание свайных фундаментов, передающих нагрузку от сооружения на более глубоко залегающие грунты.

Выбор надлежащей глубины заложения фундамента — одна из основных задач проектирования, при решении которой должны учитываться назначение здания или сооружения, особенности ин­

57

женерно-геологической и гидрогеологической обстановки, величи­ на и характер нагрузок, а также возможность пучения грунта при замерзании (для районов, где имеется сезонное промерзание грун­ тов) и др. При наличии многолетнемерзлых пород выбор глубины заложения фундамента, как и его конструкции, производится по

специальным условиям.

Кроме этих основных факторов на выбор глубины заложения фундамента могут оказать влияние конструктивные особенности принятого типа фундамента, способ производства работ по его возведению, наличие близко расположенных соседних фундамен­ тов, подземных городских коммуникаций и др.

Назначение здания или сооружения в ряде случаев требует определенного заглубления ниже отметки планировки террито­ рии. Например, для горно-обогатительных установок в связи с особенностями технологического процесса такое заглубление сос­ тавляет иногда 10 м и более; фундамент машинного здания гид­ роэлектростанции, учитывая гидравлический режим отвода воды от турбины, тоже требует определенного заглубления. При строи­ тельстве зданий с подвалами фундаменты заглубляются ниже пола подвала не менее чем на 0,4 м.

На выбор глубины заложения фундамента основное влияние оказывают инженерно-геологические и гидрогеологические усло­ вия. Характер залегания грунтов, их физико-механические свойст­ ва, уровень грунтовых вод и характер водоносного пласта — все это в высшей степени влияет на глубину заложения, как, впрочем, на конструкцию фундамента и способ производства работ по его сооружению.

Особенное значение имеет наличие и положение в разрезе пластов, прослоев и линз слабых грунтов. В настоящем пособии нет возможности рассмотреть все многообразие природных усло­ вий, учитывая которые должно быть принято то или иное решение о глубине заложения и конструкции фундамента. Для примера рассмотрим лишь один из возможных случаев, схематично изобра­ женный на рис. 25, когда среди толщи достаточно прочных и ус­ тойчивых грунтов на некоторой глубине залегает пласт слабого и неустойчивого грунта небольшой мощности.

Втаких условиях возможны следующие варианты решения: а) можно опереть сооружение на распластанный железобетонный фундамент, заложенный в верхнем слое устойчивого грунта с та­ ким расчетом, что между подошвой фундамента и слабым грунтом

останется достаточно мощная «подушка» из устойчивого грунта; б) и в) можно прорезать верхний устойчивый грунт и весь слабый фундаментом глубокого заложения и опереть йоследний на ниж­ ний пласт прочного и устойчивого грунта; г), д) и е) можно про­ вести различные варианты улучшения свойств слабого грунта и создать искусственное основание.

Промерзание не меняет свойств и не вызывает пучения у та­ ких грунтов, как скальные, крупнообломочные, а также песчаные

5 8

крупно- и среднезернистые. Маловлажные глинистые, супесчаные и тонкозернистые песчаные грунты не подвержены морозному пучению, если уровень грунтовых вод в них залегает глубже 2 м от нижней границы промерзания. В таких условиях глубина зало­ жения фундаментов может выбираться независимо от глубины промерзания.

Рис. 25. Возможные решения заложения фундамента при наличии сла­ бых грунтов в основании (слой С)

Во всех остальных случаях в глинистых и супесчаных грунтах основания глубина заложения подошвы фундаментов должна быть не меньше расчетной глубины промерзания грунтов в данном районе.

§ 2. СПОСОБЫ ВОЗВЕДЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ

Полный цикл работ по постройке фундамента состоит из сле­ дующих этапов: а) подготовительные работы, б) устройство креп­ лений и вспомогательных приспособлений, в) разработка котлова­ на, сопровождаемая в необходимых случаях водоотливом и кре­ пежными работами, г) постройка самого фундамента, д) засыпка пазух, разборка приспособлений и отделочные работы.

Все земляные работы и особенно работы по разработке грун­ та при вскрытии котлована должны выполняться так, чтобы не ухудшалась несущая способность грунтов. Для этого нужно, чтобы строительные механизмы возможно меньше нарушали естествен­ ную структуру грунта на отметке подошвы фундамента и ниже. Поэтому в ряде случаев необходимо ограничивать применение тя­

59