фундаменты ответы (2)

1.Основные задачи дисциплины. Типы фундаментов и оснований. Основные элементы фундаментов.

Фундамент часть сооружения, передающая нагрузку от надземной части сооружения на основание.

Типы фундаментов.

По материалу: деревянные, каменные, бетонные, железобетонные, металлические.

По условиям изготовления: монолитные (возводятся в котловане); сборные (изготавливаются на заводе).

По глубине заложения: мелкого и глубокого заложения.

Если подошва фундамента расположена на глубине 5-6 м и отношение этой глубины к ширине подошвы не превышает 1.5…2, то такой фундамент называют фундаментом мелкого заложения и возводят в отрытом котловане.

Если подошва фундамента расположена на глубине более 5-6 м и отношение этой глубины к ширине подошвы превышает 1.5…2, то такой фундамент называют фундаментом глубокого заложения. Такие фундаменты подразделяются на свайные, опускные колодцы и кессонные.

По конструктивной форме: отдельные, ленточные, сплошные, массивные, смешанные и свайные.

По характеру работы под нагрузкой: жесткие и гибкие. Жесткие фундаменты выполняются из бетона, работают на сжатие. При слабых грунтах бывает необходимость развивать площадь подошвы фундамента. Тогда они становятся гибкими, работают на изгиб и их надо армировать.

Основание часть грунтового массива, воспринимающая нагрузку от сооружения.

Типы оснований: естественные и искусственные. Естественные основания используются в природном состоянии. Искусственное основание – измененный грунтовый массив с улучшенными механическими характеристиками (уплотнение, закрепление грунтов и т.п.). Различают однородные и неоднородные основания. Однородное основание сложено грунтом одного вида. У неоднородного основания присутствуют слои различных грунтов.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

2. Принципы проектирования оснований и фундаментов по предельным состояниям.

Предельные состояния – состояния, при которых нормальная эксплуатация сооружений становится невозможной или вызывает затруднение.

Первая группа предельных состояний. По этой группе фундаменты рассчитывают в тех случаях, если на них передаются значительные горизонтальные силы, включая сейсмические, либо фундамент расположен на бровке откоса, либо вблизи крутопадающего откоса или основание сложено скальными грунтами. Расчеты производят по прочности и устойчивости грунтов и конструкций под действием силовых воздействий. При расчетах должны быть исключены все возможные формы разрушений.

Вторая группа предельных состояний. По этой группе производят расчет по деформациям. Фундаменты по второй группе предельных состояний рассчитывают всегда, кроме тех случаев, когда осадка или крен фундамента заведомо неопасные для сооружения. При расчетах должны быть исключены факторы, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружений, вызываемых чрезмерными осадками, прогибами и кренами.

3.Исходные данные для проектирования фундаментов.

Инженерно-геологические условия места строительства устанавливают в результате инженерно-геологических изысканий и исследований, которые являются составной частью проектных проработок. В результате таких изысканий для оценки грунтовой толщи как основания сооружений устанавливаются:

а) общая физико-географическая, инженерно-геологическая и гидрогеологическая характеристика района строительства (климатические условия, геологическое строение и тд.);

6) характерные для района физико-геологические процессы и явления, а также степень их развития (сейсмичность, закарстованность, сезонное промерзание грунтов, морозное пучение, набухание, просадочнсоть, наличие оползней, осыпей и тд.);

в) характер напластования грунтов строительной площадки, мощность каждого слоя по глубине основания и особенности их простирания в плане, наименования слагающих их грунтов;

г) наличие подземных вод, уровень и устойчивость во времени их горизонтов стояния, скорость потоков и химический состав;

d) классификационные, физические и механические свойства грунтов, слагающих основание;

е) наличие в районе строительства местных строительных материалов;

ж) рекомендации по устройству фундаментной части, типа фундаментов, глубины заложения, выбор несущего слоя, а также способа производства работ.

4. Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов. Нормативные и расчетные значения нагрузок.

Расчеты оснований при проектировании фундаментов выполняют с использованием физических и механических характеристик слагающих их грунтов. Эти характеристики устанавливают, на основе специальных лабораторных или полевых исследований. Для предварительных расчетов оснований и для окончательных при проектировании сооружений II и III класса допускается использование нормативных значений механических характеристик грунтов из таблиц СНиП 2.02.01 83.

Все расчеты оснований выполняют с использованием расчетных характеристик грунтов, вычисленных путем деления их нормативного значения на коэффициент надежности по грунту g, который устанавливают по регламентированным значениям. Xi=Xn/ g

Для оценки несущей способности оснований используют расчетные характеристики грунтов Rc, I, cI, -> = 0,98.

Для расчетов деформаций оснований расчетные значения характеристик EII, II, cII ->

= 0,90.

Для глинистых грунтов, кроме того, необходимо вычислить следующие классификационные показатели:

число пластичности I p =(wL wp ) 100%

показатель текучести I L = w wp wL wp

плотность грунта, т/м3; s - плотность частиц грунта, т/м3; w = 1 т/м3 плотность воды; w естественная влажность грунта; wp предел пластичности; wL предел текучести.

Плотность грунта r и удельный вес грунта g характеризуют плотность грунта в целом с учетом наличия воды в порах и плотности минеральной части, который в свою очередь определяется плотностью частиц грунта (скелета) rs и его удельным весом gs. Влажность грунта и показывает количественное соотношение жидкой и твердой фаз. Перечисленные характеристики называются основными фазовыми характеристиками и определяются в лабораторных или полевых условиях. По ним рассчитывают производные фазовые характеристики: плотность сухого грунта rd - отношение массы частиц к полному объему грунта; пористость n- отношение объема пор к полному объему грунта; коэффициент пористости e - отношение объема пор к объему скелета; степень (коэффициент) водонасыщения Sr, - отношение объема воды к объему пор.

Определяют указанные величины по формулам:

Sr = w∙ρs / e∙ρw

Величины нагрузок, используемые в расчетах фундаментов и их оснований по предельным состояниям, принимают с коэффициентами надежности по нагрузке f и

коэффициентами сочетаний нагрузок . Величины этих коэффициентов даются в нормах проектирования СНиП Мосты и трубы (зависят от вида нагрузки, сочетания и расчета).

К вертикальной нагрузке от подвижного состава вводится дополнительный коэффициент 1 .

В расчетах оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) используются сочетания нагрузок, в которых f =1.

Для составления сочетаний нагрузок в уровне обреза фундамента (в плоскости моста) принимают прямоугольную систему координат xOz. Нагрузки, действующие в

плоскости xOz приводят к вертикальной составляющей Fv0 , горизонтальной

составляющей Fh0 и моменту М0 (верхний индекс показывает, что эти нагрузки действуют

в плоскости обреза фундамента). Fi = ui γfi 1 + μ Fin

(1+ μ) - динамический коэффициент; ui –γкоэффициент сочетания нагрузок, учитывающий вероятность появления данной нагрузки; fi – коэффициент надежности.

5.Классификация фундаментов мелкого заложения.

Если подошва фундамента расположена на глубине 5-6 м и отношение этой глубины к ширине подошвы не превышает 1.5…2, то такой фундамент называют фундаментом мелкого заложения и возводят в отрытом котловане.

Если подошва фундамента расположена на глубине более 5-6 м и отношение этой глубины к ширине подошвы превышает 1.5…2, то такой фундамент называют фундаментом глубокого заложения. Такие фундаменты подразделяются на свайные, опускные колодцы и кессонные.

По конструктивной форме фундаменты подразделяют: отдельные, ленточные, сплошные, массивные, смешанные и свайные.

Типы фундаментов а – ленточный фундамент; б – фундамент под колонну; в – плита; г – массивный

фундамент под опору; д – свайный фундамент; е – фундамент глубокого заложения.

Отдельно стоящие - под колонны, опоры и устои мостов, гидросооружений. Ленточные – под стены зданий, подпорными стенами и другими сооружениями большой протяженности. Сплошные - под всей площадью сооружения в виде плиты. Массивные – под отдельно стоящие тяжело нагруженные опоры или сооружения. Смешанные – сочетание ленточного или сплошного со столбчатым. Свайные – из одиночных свай, куста или рядов свай, объединенных поверху плитой, которая воспринимает нагрузку от сооружения.

Фундаменты мелкого заложения (ФМЗ) по соотношению основных размеров: ширины, длины н высоты.

Линейные (протяженные) несущие конструкции - стены - опираются на соответствующие фундаменты линейной формы b, h >> а - это ленточные фундаменты.

«Сосредоточенные» несущие конструкции – к о л о н н ы , опоры – о п и р а ю т с я на соответствующие фундаменты, у которых размеры b, h, а одного порядка - это отдельно стоящие фундаменты.

Н е р е д к о , большую в плане систему несущих конструкций сооружения п о л н о с т ь ю располагают на одной плите b, а >> h - это плитные фундаменты.

Фундаменты мелкого заложения (ФМЗ) по величине угла развития фундамента:

Если угол развития фундамента меньше 30° то такой фундамент называется жестким (а), если угол развития больше 30° фундамент гибкий (б).

Фундаменты мелкого заложения (ФМЗ) по способу сооружения: монолитные (сооружают на месте); сборные (на заводе); сборно-монолитные (из монолитных частей и сборных элементов. Например, фундаментная подушка монолитная, а тело фундаментов из блоков).

6. Назначение основных размеров и отметок фундаментов мелкого заложения. Понятие гибкого и жесткого фундамента.

Положение обреза фундамента назначают:

если опора моста расположена в пределах водотока, то отметку обреза фундамента принимают на 0,5 м ниже уровня меженных вод;

если имеется ледовое покрытие, то отметку обреза фундамента принимают глубже нижней кромки льда на 0,25 м;

на суходоле отметку обреза назначают на 0,25 м ниже уровня планировки.

В пучинистых грунтах глубина заложения фундамента должна быть более

где dfn нормативная глубина сезонного промерзания; kh коэффициент, учитывающий тепловое влияние сооружения.

При отсутствии многолетних наблюдений за сезонным промерзанием грунтов для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение

где d0 величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин 0,23; для супесей, песков мелких и пылеватых 0,28; для песков гравелистых, крупных и средней крупности 0,30; для крупнообломочных грунтов 0,34; Mt коэффициент, равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, град.

В пределах водотока регулирующим фактором при назначении глубины заложения фундамента является величина местного размыва грунта у опоры. В этом случае подошва фундамента мелкого заложения должна располагаться глубже уровня местного размыва не менее чем на 2,5 м.

Жесткий фундамент – если угол развития фундамента меньше 30°. Гибкий фундамент – если угол развития больше 30°.

7. Определение глубины промерзания грунтов. Нормальные и касательные силы морозного пучения.

В пучинистых грунтах глубина заложения фундамента должна быть более расчетной глубины промерзания грунта, считая от уровня планировки, на 0,25 м. Расчетная глубина сезонного промерзания грунта d определяется формулой: d f = k h d fn ,

где dfn нормативная глубина сезонного промерзания; kh коэффициент, учитывающий тепловое влияние сооружения.

При отсутствии многолетних наблюдений за сезонным промерзанием грунтов для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение

определяют по формуле: d fn = d0 M t ,

где d0 величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин 0,23; для супесей, песков мелких и пылеватых 0,28; для песков гравелистых, крупных и средней крупности 0,30; для крупнообломочных грунтов 0,34; Mt коэффициент, равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, град.

Значения коэффициента kh для фундаментов неотапливаемых сооружений принимают равным 1,1. Для районов с отрицательной среднегодовой температурой, где глубина сезонного промерзания грунтов превышает 2,5 м, dfn и df устанавливают на основе теплотехнических расчетов.

Для непучинистых оснований минимально допустимая глубина заложения фундамента составляет 1,0 м от уровня планировки.

В пределах водотока регулирующим фактором при назначении глубины заложения фундамента является величина местного размыва грунта у опоры. В этом случае подошва фундамента мелкого заложения должна располагаться глубже уровня местного размыва не менее чем на 2,5 м.

8. Предварительный подбор размеров фундамента мелкого заложения. Конструирование фундамента.

Основные размеры подошвы фундамента: b и a (длина, ширина), глубина заложения d, отсчитываемая от расчетного уровня поверхности грунта и высота фундамента h. Давление, которое может воспринять несущий слой грунта, зависит от указанных размеров фундамента (которые пока неизвестны). Размеры подошвы находятся

в границах: bmin b bmax ; amin a amax

где: bmin = b0 2c0; amin = a0 2c0; bmax = b0 2h tg30 ; amax = a0 2h tg30 , где b0 и a0

- размеры опоры в плоскости обреза фундамента вдоль и поперек моста.

Глубина заложения фундамента d обычно не превышает 6 м.

При фиксированных размерах b и d, размер a приближенно определяется по формуле:

сочетания нагрузок, действующих в плоскости моста на уровне обреза фундамента, кН м,с = 1,2; n = 1,4 - коэффициенты условий работы и надежности; F = 23 кН/м3 - расчетный удельный вес материала фундамента с грунтом на его уступах; R - расчетное сопротивление грунта несущего слоя основания, кПа.

Сопротивление определяют: , где R0 -

условное сопротивление грунта несущего слоя основания, кПа; k1 и k2 - табличные коэффициенты; = 9,81 - средний в пределах глубины заложения d удельный вес грунта. кН/м3, - средняя плотность грунта в пределах той же глубины, допускается принимать равной 2 т/м3 или определять по формуле:

i = n

i hi

= i =1

d

где i , hi – плотность, т/м3, без учета взвешивающего действия воды и толщина отдельных слоев грунта, м, в пределах глубины заложения фундамента d; n - число слоев в пределах глубины d.

Если b > 6 м, то принимают b = 6 м.

Подбор размеров фундамента рекомендуется начинать с минимально возможной глубины заложения и максимально допустимой ширине подошвы b = bmax .

Возможны следующие случаи:

1.amin a amax - полученный размер a находится в допустимом интервале, подбор основных размеров на этом заканчивается.

2.a < amin - размер a оказался меньше минимально допустимого. Необходимо уменьшить размер b до такой величины, при которой будет выполняться приближенное равенство a

amin. Если окажется, что даже при b = bmin размер a < amin , то принимается a = amin. Подбор размеров на этом заканчивается.

3.a > amax - размер оказался больше максимально допустимого. Это означает, что при глубине заложения d фундамент не проходит. Необходимо увеличив глубину заложения

продолжить подбор размеров по формуле (2.4) при b = bmax, соответствующем новой глубине заложения. Увеличение d в допустимых пределах производится до тех пор,

пока не будет получено приближенное равенство a amax. Подбор размеров на этом заканчивается.

Если при d = dmax и b = bmax получается размер a > amax , то вариант массивного фундамента мелкого заложения в заданных инженерно геологических условиях нецелесообразен. В этом случае следует обратиться за консультацией к преподавателю или принять самостоятельное решение.

9. Расчет оснований фундаментов мелкого заложения по первой группе предельных состояний. Проверка положения равнодействующей.

Расчеты ФМЗ по первой группе предельных состояний – предупреждают потерю несущей способности оснований, устойчивости положения фундамента против опрокидывания, сдвига по подошве, устойчивости фундаментов при воздействии сил морозного пучения грунтов, прочности и устойчивости конструкций фундаментов.

Расчеты по первой группе предельных состояний выполняют от сочетаний расчетных нагрузок, действующих в плоскости моста и плоскости опоры. Эти расчеты включают в себя следующие проверки:

1.по среднему и максимальному давлению на основание в плоскости подошвы фундамента;

2.проверку несущей способности слабого подстилающего слоя основания;

3.на опрокидывание фундамента относительно ребра;

4.на сдвиг в плоскости подошвы;

5.проверка устойчивости против глубокого сдвига.

Из за действия сжимающих напряжений по подошве фундамента требуется проверить положение равнодействующей внешних нагрузок относительно центра тяжести подошвы

где Fv и М нагрузки, действующие по подошве; W =ba2 / 6 (при расчете поперек моста)

и W =b2 a / 6 (при расчете вдоль моста) момент сопротивления подошвы фундамента; А = ba площадь подошвы фундамента.

Величина eu при действии постоянных и временных нагрузок принимается равной 1,0, а при действии только постоянных нагрузок 0,1.

10.Расчет оснований фундаментов мелкого заложения по первой группе предельных состояний. Проверки прочности несущего и подстилающего слоев.

Проверки несущей способности основания под подошвой фундамента мелкого заложения выполняют отдельно вдоль и поперек моста по формулам:

где p и pmax среднее по подошве и максимальное под краем фундамента давление, кПа; с = 1,2 коэффициент условия работ; n = 1,4 коэффициент надежности; R расчетное сопротивление грунта несущего слоя.

Расчетное сопротивление R является основной характеристикой прочности грунта. Величина R устанавливается по эмпирической формуле:

R =1,7 {R0 [1 k1 (b 2)] k2 (d 3)},

где R0 условное сопротивление грунта несущего слоя; k1 и k2 табличные коэффициенты для грунта несущего слоя; = g средний удельный вес грунта, кН/м3, средняя плотность грунта, (допускается принимать равной 2 т/м3), или определять по формуле:

где i, hi – средняя плотность, т/м3 и толщина отдельных слоев грунта, м,; n – число слоев в пределах глубины d.

Если b > 6 м, то принимают условно b = 6 м.

Если несущий слой грунта подстилается более слабым грунтовым слоем, у которого условное расчетное сопротивление R0 меньше, чем у несущего, необходимо

проверить напряжение в уровне кровли этого слоя, находящейся на глубине z от подошвы фундамента по условию:

где осредненный по глубине (d z) удельный вес грунта, кН/м3 (допускается = 20

кН/м3); коэффициент рассеивания напряжений в основании от дополнительного давления по подошве фундамента, определяемый в зависимости от соотношения размеров подошвы фундамента a/b и отношения z/b; p среднее давление на грунт по подошве

подстилающего слоя грунта, определяемое по формуле:

R =1,7 {R0 [1 k1 (b 2)] k2 (d z 3)},

где R0 , k1 , k2 условное сопротивление и коэффициенты для грунта слабого слоя. Коэффициент рассеивания напряжений рассчитывается по формуле:

Значения коэффициента приводятся в табличной форме.

11.Расчет оснований фундаментов мелкого заложения по первой группе предельных состояний. Проверки устойчивости положения фундаментов.

1.Проверка устойчивости фундамента против опрокидывания – производятся на возможность опрокидывания фундамента вокруг одного из нижних ребер от действия нагрузок в двух направлениях:

где Mu момент опрокидывающих сил относительно соответствующего ребра фундамента; Mz момент удерживающих сил относительно того же ребра:

M z = Fv 2l ,

где Fv вертикальная сила; m = 0,8 коэффициент условий работы; n = 1,1

коэффициент надежности по назначению сооружения; l = b (при расчете вдоль моста) и l = a (при расчете поперек моста).

2. Проверка устойчивости фундамента против сдвига в плоскости его подошвы:

где Qr сдвигающая сила, равная сумме проекций сдвигающих сил; Qz удерживающая сила:

Qz = y Fv ,

здесь y коэффициент трения кладки материала фундамента (бетона) по грунту, принимаемый равным для глин 0,25, для суглинков и супесей 0,3, для песков – 0,40; m = 0,9 коэффициент условий работы; n = 1,1 коэффициент надежности.

Проверка устойчивости фундамента мелкого заложения против глубокого сдвига основания выполняется для устоев мостов с высокими подходными насыпями или в случаях, когда фундаменты располагаются на крутых косогорах.

Для оценки устойчивости используется плоская расчетная схема метода отсеков. Согласно этой расчетной схеме в грунтовом массиве линией скольжения выделяется возможная область обрушения. Если же форма линии скольжения заранее неизвестна, то ее очертание принимают, как правило, в виде дуги окружности. Метод расчета с использованием таких линий скольжения называется методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

Выделенная область обрушения разбивается вертикальными линиями на n отсеков. В поперечном направлении размер рассматриваемой области b принимается равным размеру подошвы фундамента в этом же направлении. В каждом отсеке определяется равнодействующая сила Pi, включающая в себя все силовые воздействия в расчетной плоскости в пределах этого отсека за исключением сил, действующих по его боковым граням и подошве. Эти силы условно прикладываются к середине участка линии скольжения в i-м отсеке, криволинейное очертание которого заменяется прямыми отрезками.