Конспект лекций 09.2013

Курс лекций дисциплины «Основание и фундаменты»

Введение

1. Виды оснований и фундаментов, основные понятия и определения

Основания – это напластование грунтов, воспринимающее давление от зданий и сооружений, которые в свою очередь разделяются на скальные и нескальные, а также на естественные и искусственные.

Скальными основаниями называют массивные горные породы с жесткими связями между частицами грунта, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива и имеющие значительную прочность при сжатии.

Нескальные основания представляют собой толщу несвязных или связных горных пород, имеющих связи между отдельными частицами, которые во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. К этому типу относят основания из крупнообломочных, песчаных, пылевато-глинистых грунтов.

Всвою очередь нескальные основания разделяются на естественные и искусственно улучшенные.

Естественные основания – это основания природного залегания у которых не были изменены свойства.

Искусственные - это основания свойства, которых улучшены в предпостроечные или эксплутационные периоды.

Фундамент — это подземная или подводная часть здания или сооружения, которая предназначена для передачи нагрузки от выше расположенных конструкций на грунты основания.

Всистеме “сооружение-фундамент-основание” последним несущим элементом является основание, при этом если основание нескальное, то оно самое слабое звено в системе.

Соединение элементов в системе “основание-фундамент- надземная часть сооружения” последовательное, а это означает, что вслед за деформациями основания будут деформироваться фундамент и надземные конструкции и в целом сооружение может дать полный или частичный отказ.

1

Отказ - это прекращение выполнения своих эксплутационных качеств конструкций здания или сооружения (полный или частичный).

В связи с этим очень важно уметь прогнозировать поведение основания для того чтобы подобрать фундаменты, которые будут способны обеспечить безотказную работу сооружения в течении всего срока эксплуатации.

Как правило больше 80 % всех отказов происходит из-за отказа или деформации основания. Затраты на восстановление и реконструкцию оснований и фундаментов в 4-5 раз превышают затраты на их устройства.

2. Основные виды оснований и фундаментов

Фундаменты подразделяют на следующие основные категории: возводимые в открытых котлованах, свайные и глубокого заложения.

Фундаменты в открытых котлованах, так называемые фундаменты мелкого заложения (ФМЗ) — это такие фундаменты, которые после их возведения в котловане засыпаются грунтом и передают давление на основание в виде равномерно распределенной нагрузки по всей площади подошвы этого фундамента.

Котлован - это выемка в грунте, предназначенная для устройства оснований и фундаментов зданий и др. инженерных сооружений.

Подошва фундамента - это линия разделяющая тело фундамента и основание.

Обрез фундамента – это поверхность фундамента, на которую опирается надземная конструкция здания или сооружения.

Расстояние от поверхности земли до подошвы называют глубиной заложения фундамента df.

Слой грунта, на котором располагается подошва фундамента, называют несущим слоем, другие ниже расположенные слои являются подстилающими.

Следует также отметить, что у рассматриваемых фундаментов при передаче нагрузки на основание взаимодействие фундамента с грунтом на боковой поверхности не учитывается.

2

Свайным фундаментом называют комплекс свай, объединенных ростверком в единую конструкцию, передающую нагрузку на основание.

Свая - это погруженная в грунт или изготовленный в грунте, вертикальная или наклонная конструкция, предназначенная для передачи нагрузки на основание.

Ростверк - обычно монолитная ж/б конструкция в виде балки или плиты, объединяющая головы свай и перераспределяющая на них нагрузку от выше расположенных конструкций. Различают высокий ростверк, если его подошва располагается выше поверхности грунта, и низкий ростверк, если его подошва опирается на грунт или заглубляется в нём.

По передаче нагрузки на грунт основания сваи разделяются на сваи стойки и висячие сваи.

Свая стойка – это свая, передающая нагрузку на основание только через пяту из-за практического отсутствия смещений её ствола по отношению к окружающему грунту (при опирании нижнего конца свай на скальные или малосжимаемые грунты).

Висячая свая – это свая, передающая нагрузку на основание через боковую поверхность и пяту (характерно для нескальных оснований).

Работа свайного фундамента происходит следующим образом: нагрузка от надземной части сооружения воспринимается ростверком, который равномерно перераспределяет её междуу сваями, а свая передает нагрузку на основание.

При проектировании свайных фундаментов считается, что ростверк не взаимодействует с основанием, т.е. подошва ростверка не передает нагрузку на основание.

Фундаменты глубокого заложения (ФГЗ) - это фундаменты,

устраиваются, без отрывки, котлована, формируемые или погружаемые в грунт с помощью специальных механизмов. Они передают нагрузку на основание как по подошве так и за счет сил трения по боковой поверхности фундамента.

К таким фундаментам относятся кессоны, опускные колодцы, тонкостенные оболочки.

Необходимость применения фундаментов глубокого заложения возникает в следующих случаях:

3

-если сооружение должно быть опущено на большую глубину (подземные и заглубленные сооружения);

-если сооружение создает большие нагрузки, а верхние слои представлены значительной толщей слабых грунтов, подстилаемых прочными скальными грунтами;

-если сооружение передает на основание значительные горизонтальные нагрузки или имеется высокое залегание грунтовых вод.

Глубина заложения таких фундаментов в среднем 30 – 40 метров

ивнутреннее пространство их обычно эксплуатируемо.

3.Основные принципы проектирования оснований и фундаментов

1.Основания и фундаменты индивидуально рассчитываются каждый раз для нового сооружения и новой площадки застройки. В связи, с чем отсутствуют типовые проекты на фундаменты.

2.Система «сооружение-основание» должна рассчитываться как единое целое. Т.е. при расчете фундаментов обязательно должны учитываться такие параметры как габариты проектируемого здания или сооружения, глубина его заложения в основание (наличие подвалов, парковок и др. вспомогательных помещений), вес и др. параметры.

3.Расчеты оснований и фундаментов ведутся по предельным состояниям. Соответственно по несущей способности и деформациям.

4.В конструктивной схеме сооружения назначаются характерные сечения. В этих сечениях подбираются фундаменты, размеры которых удовлетворяю всем проверкам по предельным состояниям. Затем конструируют и окончательно проектируют фундаменты в целом под сооружение.

5.Проектирование ведется вариантное. Для расчета выбирают несколько вариантов фундаментов и/или основания и для каждого варианта определяют размеры фундаментов в сечениях. Затем на основе технико-экономического сравнения вариантов по техникоэкономическим показателям выбирают наиболее оптимальный вариант фундамента, для которого разрабатывается проект.

4

4. Технико-экономические факторы, определяющие выбор оснований и фундаментов

При расчетах и проектировании фундаментов необходимо помнить, что не существует типовых решений фундаментов, бывают только типовые конструкции фундаментов.

С учетом сказанного отметим основные факторы, которые влияют на выбор типа основания и конструкции фундамента:

1.Геологическое строение и рельеф площадки строительства.

2.Физико-механические характеристики грунтов.

3.Конструктивные и объемно-планировочные особенности сооружения. (как пример расположение несущих стен или колон здания или сооружения).

4.Особенности эксплуатации сооружения и возможные факторы, приводящие к ухудшению свойств грунтов основания в период эксплуатации сооружения. (Просадочные грунты и текущие коммуникации, химические вещества способные ухудшить характеристики грунта)

5.Особенности производства работ при возведении ОиФ (стесненные условия, наличие коммуникаций под землёй и др.).

Окончательный вариант должен назначаться только на основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов фундаментов, которые полностью рассчитаны и сконструированы.

5. Материалы необходимые для проектирования оснований и фундаментов

Прежде чем приступить к проектированию ОиФ необходимо иметь следующий перечень основных строительных документов и чертежей:

1.Сведения о рельефе местности и существующие застройки (генплан).

2.Сведения о инженерно-геологических изыскания площадки строительства.

5

3.Сведения о гидрогеологической обстановке территории (уровень подземных вод и их агрессивность, возможность подтопления территории).

4.Климатические особенности района строительства(глубина сезонного промерзания, снеговой покров, ветровой напор, кол-во осадков).

5.Проектную документацию, отражающую объемно планировочные и конструктивные решения здания.

6.Сведения о характере нагрузок на фундамент(статические, динамические; постоянные, временные, кратковременные или особые).

7.Особенности технологического режима в производственных процессах и т.п. при эксплуатации сооружения (это может быть повышенная или пониженная температура в здании при эксплуатации).

Тема 1. Предельное состояние оснований и сооружений

1. Основные положения проектирования по предельным состояниям

Под действием нагрузок от веса здания или сооружения грунты основания подвергаются деформации, в связи, с чем происходят осадки фундаментов и выше расположенных конструкций. Если все фундаменты здания дают одинаковую по абсолютной величине осадку, то в конструкциях здания или сооружения не возникает никаких дополнительных напряжений. Однако в большинстве случаев наблюдаются разные по величине осадки фундаментов, что приводить к перераспределению напряжений в конструкциях расположенных выше обреза фундамента и появлению дефектов силового происхождения. В последствии перераспределение напряжений произойдет уже под подошвой фундаментов, что создаст новое напряженное состояние, которое в свою очередь может привести к полному или частичному отказу надземной части здания или сооружения. Следовательно, чтобы оценить влияние осадок фундаментов на вышележащие конструкции в дальнейшем, после определения размеров фундаментов производят их расчет. Расчет осадок производится у нескольких фундаментов, после чего их сравнивают, между собой, выявляя наибольшую разницу. В

6

связи, с тем, что очень трудно определить дополнительные усилия в конструкциях от неравномерных осадок прибегают к ограничению осадок и их неравномерности. Эти ограничения в значениях абсолютных и относительных деформаций устанавливаются в зависимости от характеристики конструкций и жесткости материалов. Эти значения носят название предельно допустимых (осадок, неравномерностей), они приведены в СП 22.13330.2011 “Основания зданий и сооружений” (актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*).

Расчет оснований производится для каждого фундамента отдельно. При этом определяют размеры фундамента исходя из требований при которых:

1.Осадки и их неравномерности не превосходят предельно допустимых значений.

2.Основание должно быть прочным и устойчивым.

3.Фундамент (тело, конструкция) обладает достаточной прочностью и долговечностью

Виды предельных состояний:

1.Первая группа предельных состояний по несущей способности.

2.Вторая группа предельных состояний по деформациям.

2. Расчет оснований по деформациям

По виду, деформации, основания бывают следующие:

1.Осадка - это деформация грунта, происходящая в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и в отдельных случаях собственного веса, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры

2.Просадки - это вертикальные деформации, происходящие в

результате уплотнения и дополнительного воздействия на структурно не устойчивые грунты, связанного с изменением температурно-влажностного режима. Просадки сопровождаются коренным изменением структуры грунта (виды грунтов и виды воздействий). Могут обладать вечно мерзлые грунты.

7

3.Подъем и осадки - это вертикальные знакопеременные деформации, связанные с изменением объемов некоторых грунтов при изменении температурно-влажностного режима (набухание грунтов при изменении влажности или пучинистость при отрицательных температурах).

4.Оседание - это вертикальные деформации значительных по площади территории земной поверхности, вызванные подработкой этой территории, и изменением гидрогеологических условий.

5.Горизонтальные перемещения - это горизонтальные деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание от сооружения или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседания, просадках.

3. Причины возникновения деформации

Деформация основания в зависимости от причин их возникновения делятся на две группы:

1 группа. Деформации от внешней нагрузки на основание передаваемые сооружениями (осадки, просадки 1 типа, горизонтальное перемещение).

Причины:

1) Неравномерная сжимаемость грунтов из-за их неоднородности. 2)Различие в осадках основания в пределах и за пределами площадки загружения.

3)Неравномерное увлажнение грунтов в частности просадочных и набухающих.

4) Различие нагрузок на отдельные фундаменты, различие их размеров в плане и глубины заложения в пределах одного здания. 5)Неравномерное распределение нагрузок на полы производственных зданий, а также загрузка территорий в непосредственной близости сооружений.

6)Нарушение правил производства строительных работ, приводящие к ухудшению строительных свойств грунтов; ошибки при изысканиях и проектировании, нарушение условий эксплуатации.

8