Вопросы экзамена по предмету «Основания и фундаменты» для студентов III курса специальности «Строительство» (ст-218)

ВОПРОС №1

1. Грунтовые основания. Происхождения грунтов

Грунт - любая горная порода или почва, представляющая собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени и используемую как основание, среда или материал для возведения зданий и сооружений.

Все нагрузки, действующие на здание, в том числе и собственный вес здания, через фундаменты передаются на грунт. Грунт, непосредственно воспринимающий эти нагрузки, называется основанием.  Надежность и прочность основания является важнейшим условием для нормальной эксплуатации здания. Грунт, способный в своем природном состоянии выдержать нагрузку от здания, называется естественным основанием. Если грунт не воспринимает нагрузку от здания, его искусственно укрепляют, и тогда он носит название искусственного основания.  Грунт, работающий как основание здания, должен удовлетворять следующим требованиям:

• обладать достаточной несущей способностью и малой сжимаемостью (слабые непрочные грунты или сильно сжимаемые вызывают большие и неравномерные осадки здания, приводящие к его повреждению и разрушению);

• не подвергаться пучению, т. е. не увеличивать свой объем при замерзании влаги, находящейся в его порах (пучинистые грунты создают очень большое давление на здание снизу вверх, что приводит к перекосу здания и даже к его разрушению);

• не размываться и не растворяться грунтовыми водами (наличие в грунте основания легко растворимых веществ может привести к выщелачиванию грунта и вызвать деформацию и повреждения здания);

• обладать неподвижностью (это требование связано с устойчивостью пластов грунта). Большой угол наклона пластов может вызвать скольжение одного пласта по другому (при насыщении их водой) и образовать оползень, что приведет к полному разрушению здания 

• Грунты – горные породы, используемые как основание, среда или материал для возведения сооружения. По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

• Магматические (изверженные) породы, образовавшиеся в результате застывания магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты.

• Осадочные породы, образовавшиеся в результате разрушения (выветривания) горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды или воздуха, могут быть скальными или нескальными. По своему происхождению скальные грунты делятся на континентальные и морские отложения.

• Метаморфические породы – это претерпевшие изменения под влиянием высоких температур и больших давлений магматические и осадочные породы, они характеризуются наличием жестких, преимущественно кристаллических связей и классифицируются как скальные грунты.

• В зависимости от возраста грунты относят к различным геологическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами являются отложения четвертичной системы, которые наиболее часто используются в инженерной деятельности.

• Грунты, как правило, являются трехфазными системами и состоят из твердых частиц, поры между которыми заполнены газом и водой. Строительные свойства грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом, структурой, текстурой и состоянием в природном залегании.

2. Состав грунтов

Грунты состоят из: твердых частиц; воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта); газов (в том числе и воздуха).

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов. Структура, текстура и структурные связи грунта. Следует различать структуру грунта, т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними и текстуру грунта, т. е. сложение грунта в массиве.

Под структурой грунта понимается размер, форма и количественное (процентное) соотношение слагающих грунт частиц.

Под текстурой грунта понимается пространственное расположение элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания.

Свойства твердых частиц.

Для твердых частиц главное значение имеют минеральный и гранулометрический составы.

Твердая минеральная масса состоит из первичных зерен скелета грунта (обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта. Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров (крупности).

Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями (или просто фракциями). Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта.

3. Структурные связи между частицами грунта

Структура– это размеры, форма, количественное соотношение слагающих грунт частиц и характер связей между ними, обусловленных всей предысторией грунта. Связи между частицами и агрегатами частиц называются структурными связями. Из-за высокой прочности самих час­тиц связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунта.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют­ся на связныеи несвязные(сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты; к несвязным – крупнообломочные и песчаные грунты. Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряже­ния; несвязные грунты растягивающих напряжений не воспринимают.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей. Такой механизм взаимодействия между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаи­модействия между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Они и обусловливают связность глинистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстояния между частицами, зарядов на их по­верхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

Глинистый грунт с очень большой влажностью по существу пред­ставляет собой тонкодисперсную суспензию, находящуюся в текучем со­стоянии. Связи между частицами в этом случае практически отсутствуют. С повышением концентрации дисперсной фазы (уменьшении влажности W) происходит сгущение суспензии, в результате чего расстояние между твердыми частицами уменьшается. При сближении глинистых частиц на расстояние порядка нескольких сотен и тысяч ангстрем между ними проявляются силы молекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы обусловлены взаимодействием поверхностных моле­кул твердых частиц в результате периодических колебаний электронных оболочек и ядер атомов, при которых образуются мгновенные диполи. Сближению частиц препятствуют силы отталкивания между их одноименно заряженными гидратно-ионными оболочками, поэтому молеку­лярные связи реализуются в углах и на ребрах частиц, где оболочки тоньше.

Молекулярные силы играют существенную роль в формировании прочностных свойств глинистых грунтов на начальных стадиях литогенеза (превращения в горную породу), настадии седиментации (образования осадков), при коагуляции и образовании осадков, а также на стадии диагенеза (превращения осадков в твердые породы).

Дальнейшему сближению частиц грунта начинают препятство­вать отталкивающие силы одноименно заряженных поверхностей частиц и диффузных слоев связанной воды, поэтому дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий, например, в результате уплотнения грунта под нагрузкой или его высушивания. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению связей, при этом значимыми становятся ионно-электростатические силы. Определяющим фактором для их образования является наличие в диффузном слое обменных катионов. Если к одной заряженной частице приблизить другую, то катионы диффузного слоя будут взаимодействовать одновременно с двумя частицами и между последними образуется ионно-электростатическая связь (рис. 1.4). Эта связь проявляется при расстояниях между частицами в несколько десятков ангстрем, но ее прочность на несколько порядков выше прочности связей, обусловленных Ван-дер-Ваальсовыми силами.

 

По классификации, разработанной академиком П.А.Ребиндером, профессорами Н.Я.Денисовым, Н.А.Масловым и др., отмеченные вы

ше структурные связи относятся к водно-коллоидным. Наличие гидратных оболочек частиц придает этим связям подвижный, обратимый характер. Они сохраняются при деформации: перемятие влажного кусочка глины не нарушает его общей связности. Состояние глинистого грунта, при кото­ром он способен под воздействием внешних усилий изменять свою форму без разрыва сплошности и продолжительно сохранять вновь полученную форму, называется пластичным.

 Высыхание грунта ведет к уменьше­нию толщины гидратно-ионных оболочек и усилению водно-коллоидных связей между частицами. Напротив, повышение влажности грунта и насыщение диффузных слоев оказывает расклинивающее действие на частицы грунта, что ведет к ослаблению водно-коллоидных связей и повышению подвижности грунта.

Малому количеству воды в грунте соответствует весьма большая прочность водно-коллоидных связей; глинистый грунт при малых значениях влажности находится втвердомсостоянии.

Наряду с водно-коллоидными связями в грунтах, сохраняющих природную структуру, могут существовать цементационныесвязи. Они образуются в течение длительного геологического периода образования и существования грунтов за счет выпадения в осадок растворенных в поровой воде солей, цементирующих отдельные твердые частицы друг с другом.

Ими могут быть менее прочные и водостойкие связи, образуемые гипсом, кальцитом, и более прочные и водостойкие, такие, как оксиды железа, кремния и др. В противоположность водно-коллоидным, цементационные связи – жесткие и необратимые, не восстанавливающиеся при разрушении естественной структуры грунта.

Взаимное пространственное расположение частиц в грунте (текстура) зависит от условий их осаждения: образуется ли осадок в воздуш­ной или водной среде, неподвижная или текучая вода и т.д.

При осаждении относительно тяжелых песчаных и пылеватых частиц, для которых гравитационные силы преобладают над электромолекулярными силами взаимодействия, образуется зернистая система сложения частиц (рис. 1.5,а).

В начальной стадии осаждения глинистых частиц в неподвижной воде образуется рассеянная (диспергированная) система (рис. 1.5,б), частицы находятся как бы во взвешенном состоянии.

С течением времени глинистые частицы могут контактировать друг с другом и образовывать флокуляционную систему расположения частиц (рис. 1.5,в). Диспергированная и флокуляционная системы характерны для свежеобразовавшихся глинистых грунтов (рыхлые, сильносжимаемые илы и илистые грунты).

В результате действия веса вышележащих слоев осадков нижние их слои уплотняются, и при этом в них происходит переориентация частиц. Они получают упорядоченную, ориентированную систему взаимного расположения (рис. 1.5,г).

Природная структура грунтов, их состав и состояние в основном и определяют деформационно-прочностные свойства грунтов и их работу как оснований и среды для сооружений, причем весьма важной характеристикой будет структурная прочность грунтов и устойчивость структурных связей вод влиянием внешних воздействий.

4. Геологическое строение оснований

Обычно в основании располагается несколько типов грунтов. В таком случае, кроме оценки свойств каждого грунта, возникает не менее важная задача – схематизация геологического строения основания, т.е. выделение границ между ними. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис.)

Слоем называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между подошвой и кровлей называют мощностью слоя. Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью. Если геологическое тело входит с одной стороны в геологический разрез и заканчивается в нем, то это называют выклиниванием слоя. Очень тонкое геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называется прослоем. Жилой называют внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои. Зоной называют область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

При определении строения грунтовой толщи необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (скважины, данные геологической разведки), и от количества вертикалей, а также и расстояний между ними будет зависеть достоверность полученных данных.

Структурно-неустойчивые грунты это грунты, обладающие в природном состоянии структурными связями, которые при определенных воздействиях снижают свою прочность или полностью разрушаются. Эти воздействия могут заключаться в существенном изменении температуры, влажности, приложении динамических усилий.

К структурно-неустойчивым грунтам относят грунты: лессовые, структура которых нарушается при замачивании под нагрузкой; мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании; рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях; илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры. Также к особым грунтам относят: набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой; торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью; скальные и полускальные грунты, обладающие, как правило, высокой прочностью и малой деформативностью.

Неучет специфических свойств этих грунтов может привести к нарушению устойчивости зданий и сооружений, к чрезмерным их деформациям. 

Структурно-неустойчивые грунты часто относят к региональным типам грунтов потому, что эти грунты часто группируются в пределах определенных географо-климатических зон, в определенных регионам страны, т.е. преобладают в одних регионах и практически могут отсутствовать в других.

Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и разборный скальный грунт обладают некоторой деформируемостью. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

5. Деформируемость грунтов

Деформируемость глинистых грунтов обусловлена главным образом взаимным перемещением твердых частиц грунта. В крупнозернистых грунтах главными факторами деформируемости являются смятие контактов и разрушение твердых частиц под нагрузкой. В песчаных грунтах происходят как процессы переориентирования и взаимного движения частиц, так и их разрушения. Деформации разделяют на объемные и формоизменения.

Объемная сжимаемость глинистых двухфазных грунтов возможна лишь при отжатии воды из грунта. Поскольку поры грунта малы, то отжатие свободной воды происходит медленно, и процесс деформирования грунта в зависимости от его объема растягивается часто на длительный промежуток времени. Повышенная вязкость связной воды также замедляет процесс деформирования (объемного и формоизменения).

Процесс деформирования глинистого грунта во времени описывается теорией консолидации грунтов, некоторые упрощенные положения которой изложены в 12.3.

В песчаных грунтах процессы деформирования под действием статической нагрузки протекают быстро, поэтому обычно их во времени не рассматривают.

В крупнозернистых грунтах процессы смятия контактов, их разрушение, перекомпоновка структуры вследствие разрушения отдельных зерен и перераспределение нагрузки между частицами часто так же, как и в глинистых грунтах, занимают длительное время, хотя механизм процесса во времени иной.

Так как грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, то при действии внешней нагрузки в грунте происходят такие деформации:

- взаимное смещение частиц и агрегатов частиц с более плотной их переупаковкой;

- разрушение частиц и их агрегатов;

- отжатие воды и воздуха из пор грунта;

- деформация пленок воды в точках контакта грунтовых частиц;

- сжатие воздуха в закрытых порах грунта;

- упругие деформации минеральных частиц.

После снятия нагрузки некоторые деформации восстанавливаются. Их называют упругими деформациями. Это деформации частиц грунта, пленок связанной воды, упругое сжатие защемленных пузырьков воздуха и поровой воды. Такие деформации грунта, как правило, во много раз меньше, чем деформации за счет сдвигов частиц грунта, отжатия воды и воздуха из пор, которые называютсяостаточными, т.е. не восстанавливающимися после снятия нагрузки. В итоге остаточные деформации приводят к уплотнению грунта.

 

6. Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.

7. Определение напряжений по подошве фундаментов

При взаимодействии фундаментов и сооружений с грунтами основания на поверхности контакта возникают контактные напряжения. Знание контактных напряжений необходимо как для расчета напряжений в основании, создаваемых сооружением, так и для расчетов самих конструкций.

Характер распределения контактных напряжений зависит от жесткости, формы и размеров фундамента или сооружения и от жесткости (податливости) грунтов основания. Различают три случая, отражающих способности сооружения и основания к совместной деформации:

1) абсолютно жесткие сооружения, когда деформируемость сооружения ничтожно мала по сравнению с деформируемостью основания, и при определении контактных напряжений сооружение можно рассматривать как недеформируемое;

2) абсолютно гибкие сооружения, когда деформируемость сооружения настолько велика, что оно свободно следует за деформациями основания;

3) сооружения конечной жесткости, когда деформируемость сооружения соизмерима с деформируемостью основания; в этом случае они деформируются совместно, что вызывает перераспределение контактных напряжений.

Характерными примерами абсолютно жестких конструкций являются массивные фундаменты под мостовые опоры, дымовые трубы, тяжелые прессы, кузнечные молоты и т. д., абсолютно гибких – земляные насыпи, днища металлических резервуаров и т. п. Большинство сооружений (плитные фундаменты, балки, ленточные фундаменты) по условиям работы конструкций имеют конечную жесткость.

Критерием оценки жесткости сооружения может служить показатель гибкости по М.И. Горбунову-Посадову

е ≈ 10 (El³/E_кh³), (8.1)

где Е и Е_к — модули деформации грунта основания и материала конструкции; l и h — длина и толщина конструкции.

Конструкция сооружения или фундамента считается абсолютно жесткой, если t≤1. В первом приближении жесткость конструкции можно оценить исходя из соотношения ее толщины и длины. При h/l>1/3 конструкция может рассматриваться как абсолютно жесткая.

уравнение изогнутой оси полосы записывают в виде

, (8.2)

 

где D = E_кI_к/(1 – v_к²) – цилиндрическая жесткость полосы; f(x) –интенсивность заданной на полосу нагрузки;р(х) – интенсивность неизвестной эпюры контактных напряжений. Напомним, что индекс «к» относится к конструкции; следовательно, Е_к и v_к – соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала полосы; I_к – момент инерции ее поперечного сечения.

В случае плоской деформации прогиб поверхности под действием сосредоточенной силы Р описывается уравнением

 

 

 (8.4)

 

где С = Е/(1 – ν²) – коэффициент жесткости основания; х — координата точки поверхности, в которой определяется осадка; ζ — координата точки приложения силы Р; D — постоянная интегрирования. При определении прогибов поверхности от действия распределенной нагрузки уравнение (8.4) следует проинтегрировать по площади загружения.

8. Устойчивость откосов и склонов

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь. Откосы образуются при возведении различного рода насыпей (дорожное полотно, дамбы, земляные плотины и. т.д.), выемок (котлованы, траншеи, каналы, карьеры и .п.) или при перепрофилировании территорий. Склоном называется откос, образованный природным путем и ограничивающий массив грунта естественного сложения. При неблагоприятном сочетании разнообразных факторов массив грунтов, ограниченный откосом или склоном, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость. Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются: устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному; увеличение внешней нагрузки (возведение сооружений, складирование материалов на откосе или вблизи его бровки); изменение внутренних сил (увеличение удельного веса грунта при возрастании его влажности или, напротив, влияние взвешивающего давления воды на грунты); неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивления сдвигу за счет, например повышения влажности; проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и. т.п.).

9. Теоретические основы расчета осадок оснований фундаментов

Постановка задачи. Рассмотрим наиболее простой случай вза­имодействия фундамента неглубокого заложения с однородным грунтовым основанием. При глубине котлована менее 5 м дефор­мациями разгрузки грунта ввиду их малости можно пренебречь. Ограничимся задачей определения конечной стабилизированной осадки основания от действия нагрузки, передаваемой на грунты через подошву фундамента.

Рассматривалась расчетная схема такой задачи. Далее, было установлено, что для расчетов напряже­ний допускается определять контактные напряжения в уровне подо­швы фундамента по формулам внецентренного сжатия. Полученная таким образом эпюра контактных напряжений рассматривалась как абсолютно гибкая местная нагрузка, заменяющая действие фун­дамента на грунты основания. С учетом сказанного характерные расчетные схемы этой задачи представлены.

В случае плоской задачи при внецентренном нагружении фун­дамента эпюра контактных напряжений будет иметь вид трапеции с переменной интенсивностью напряжений р(х). В стороны от подошвы фундамента будет действовать пригрузка, равная природ­ному давлению на глубине заложения фундамента q=yd, где у  -  удельный вес грунта. Как указывалось до строительства сооружения в любой точке основания существовали напряжения, обусловленные весом вышележащей толщи. Будем счи­тать, что грунты строительной площадки сформировались давно и их самоуплотнение под действием природного давления к периоду строительства завершилось. Тогда осадку поверхности основания в уровне подошвы фундамента будет вызывать уже не полное давление р(х), возникшее после строительства сооружения, а лишь различные виды эпюр дополнительного давления.

10. Последовательность проектирования основания и фундаментов

1. Изучение геологических характеристик строительной площадки.

Для составления грамотной оценки грунта нужно знать:

• Глубину и концентрацию залегания почвенных вод.

• Возможную деформацию под влиянием геологических изменений (землетрясения, оползни, наводнения и др.).

• Трансформации грунта при смене сезонов.

• Химический состав почвы.

При закладке фундамента на участках с высоким уровнем грунтовых вод, необходимо планировать применение специальных гидроизоляционных материалов.

2. Изучение проекта будущего здания

Проектирование фундамента дома напрямую связано с формой и типом будущей постройки. Нужно знать размеры здания, его планировку и количество этажей, в том числе и подземных. На выбор определенного типа фундамента влияет используемый при строительстве материал, устойчивость конструкции и форму эксплуатации. Эти данные, а также все расчеты и схемы можно получить при ознакомлении с проектом здания.

3. Расчет нагрузок

Уровень и коэффициент нагрузки на фундамент рассчитывается отдельно по всем элементам конструкции, которые потом суммируются в общий показатель. Также степень нагрузки определяется по показателям статических расчетов.

4. Определение «черновых» габаритов фундамента

Рассчитываются промежуточные размеры основания и его технические характеристики. Данные для этого берутся на основании геологии грунта, методов будущего строительства и назначения постройки в процессе эксплуатации.

5. Оптимизация размеров фундамента по усадке

На этой стадии проводятся вычисления для конкретных параметров и габаритов постройки, учитываются действительные нагрузки. Теперь можно узнать предстоящую степень усадки основания. Полученные данные сопоставляются с допустимыми нормами возможной деформации будущей конструкции. В случае необходимости, вносятся изменения и корректировка в размерах или форме постройки.

6. Выполняются проверочные расчеты

Определяется прочность фундамента и устойчивость всего здания. Внесенные в конструкцию изменения следует обосновывать с точки зрения вероятных деформаций.

7. Проводятся заключительные расчеты по проектированию фундамента, разрабатываются чертежи и схемы с указанием всех необходимых данных

11. Виды деформаций оснований и сооружений

Прогноз величины деформаций оснований на стадии проектирования сооружения позволяет выбрать наиболее правильные конструктивные решения фундаментов и надземных частей зданий и сооружений. Осадки оснований оказывают решающее влияние на прочность и устойчивость подземных конструкций.

Осадкой называется медленная и сравнительно небольшая деформация, происходящая в результате уплотнения грунта под действием нагрузок и сопротивляющаяся коренным изменениям его структуры.

При равномерных осадках основания подошва фундамента в любой моент времени опускается на одинаковую величину. Такие осадки не вызывают перераспределения усилий в конструкциях, но затрудняют нормальную эксплуатацию.

При неравномерных осадках основания подошва фундамента опускается на разную величину, вызывая перераспределение усилий и деформаций в надземных частях зданий и сооружений. Такие осадки ухудшают эксплуатацию оборудования, изменяют условия устойчивости сооружений, вызывают перенапряжения в отдельных конструкциях и элементах.

В зависимости от характера развития неравномерных осадок и от жесткости здания или сооружения возникают следующие виды деформаций.

Прогиб и выгиб возникают в протяженных зданиях и сооружениях, не обладающих большей жесткостью.

Крен (наклон) — поворот фундамента относительно горизонтальной оси, проявляющийся при несимметричной загрузке основания. Наибольшую опасность данный вид деформации представляет для высоких сооружений — дымовых труб, узких зданий повышенной этажности и др., т.е. характерен для жестких сооружений.

Перекос зданий и сооружений характерен при резком проявлении неравномерности осадок на участке небольшой протяженности при сохранении относительной вертикальности несущих конструкций (рис. 7.4).

Кручение возникает при неодинаковом крене здания или сооружения по длине, при этом происходит развитие крена в двух сечениях сооружения в разные стороны (рис. 7.5). Горизонтальные перемещения фундаментов зданий или сооружений возникают при действии на основания горизонтальных нагрузок (рис. 7.6). Например, устои мостов (рис. 7.6,а), гидротехнические сооружения (рис.7.6,б), они возможны при развитии оползней и при выполнении подземных выработок.

12. Общие сведения о фундаментах мелкого заложения

К ФМЗ относятся фундаменты, имеющие отношение высоты к ширине подошвы, не превышающее 4, и передающие нагрузку на грунты основания преимущественно через подошву.

ФМЗ возводятся в открытых котлованах или в специальных выемках, устраиваемых в грунтовых основаниях.

- ФМЗ по условиям изготовления разделяют на:

· монолитные, возводимые непосредственно в котлованах.

· сборные, монтируемые из элементов заводского изготовления.

- По конструктивным решениям ФМЗ разделяют на:

· отдельно стоящие фундаменты:

a) под колонну (опору);

b) под стены (при малых нагрузках)

· ленточные фундаменты:

a) выполняются под протяженные конструкции (стены);

b) выполняются под ряды и сетки колонн в виде одинарных или перекрестных лент.

· сплошные (плитные) фундаменты

Выполняются в виде сплошной железобетонной плиты, как правило, под тяжелые сооружения. Такие фундаменты разрезаются в плане только осадочными швами, что способствует уменьшению неравномерности осадки сооружения.

· массивные фундаменты

Выполняются в виде жесткого компактного железобетонного массива под небольшие в плане тяжелые сооружения (башни, мачты, дымовые трубы, доменные печи, устои мостов и т.п.).

- ФМЗ изготовляют из следующих матреиалов:

· железобетон

· бетон

· бутобетон

· каменные материалы (кирпич, бут, пиленные блоки из природных камней)

· в отдельных случаях (временные здания) допускается применение дерева или металла.

Железобетон и бетон – основные конструкционные материалы для фундаментов.

Бутовый камень, кирпич и каменные блоки используются для устройства фундаментов, работающих на сжатие и для возведения стен подвалов.

Бутобетон и бетон целесообразно применять при устройстве фундаментов, возводимых в отрываемых полостях или траншеях при их бетонировании в распор со стенками.

Железобетон и бетон можно применять при устройстве всех видов монолитных и сборных фундаментов в различных ИГУ, т.к. они обладают достаточной морозостойкостью, прочностью на сжатие (а для железобетона и на растяжение → действие моментов).

13. Основные положения проектирования гибких фундаментов

Кроме жестких широко применяются гибкие фундаменты, которые работают совместно со сжимаемым основанием и рассчитываются на прочность при изгибе с учетом деформаций основания. При отношении высоты фундаментов к их длине более 13 можно рассматривать как абсолютно жесткие, при меньшем отношении следует считать их гибкими (ленточные железобетонные фундаменты, сплошные железобетонные плиты, фундаменты под группу опор и т. д.).

В настоящее время расчет гибких фундаментов производится в основном двумя методами: 1) местных упругих деформаций, учитывающих осадки только под фундаментом здания или сооружения, 2) общих упругих деформаций, учитывающих осадки не только под загруженной площадью, но и за ее пределами. Первый метод получил широкое распространение при; устройстве фундаментов на сильносжимаемых и малой мощности сжимаемых грунтах, второй используется при наличии достаточно плотных грунтов и не слишком больших по размерам площадок. При значительных размерах фундаментов и залегании на небольшой глубине несжимаемых пород лучшие результаты дает теория упругого слоя конечной толщины (где H - мощность сжимаемого слоя, полупролет ленточного фундамента). Теория местных упругих деформаций, предложенная Винклером, базируется на положении о прямой пропорциональности между давлением (реакцией грунта основания) и местной осадкой.

Беря последовательно производные уравнение, при r = 0 определим постоянную интегрирования p.

Дополнив эти уравнения двумя уравнениями равновесия и решая полученную систему уравнений относительно, находят по зависимости реактивные давления p(). А раз распределение и значения реактивных давлений известны, находят значения my и Qy путем суммирования всех моментов и всех сил с одной стороны искомого сечения.

Реактивные давления py, поперечные силы Qy и изгибающие моменты my по М. И. Горбунову-Посадову определяют с помощью таблиц. При вычислении принят полином десятой степени, сечения рассматриваются на расстоянии 0,1 от полупролета для различных значений гибкостей полосы.

(Гибкие фундаменты обладают способностью изгибаться в одном  или обоих направлениях подошвы. Реактивные дав­ле­ния по подошве определяются, исходя из совместной работы фун­да­мен­та и основания и, зависят как от прогиба фундамента (рис.6 б), так и степени развития пластических деформаций на краях фундамента.а- жесткие фундаменты; б - гибкие фундаменты

К гибким фундаментам относятся все ленточные железобетонные фундаменты, фундаменты из монолитного железобетона под отдельные опоры или группы опор (рис. 7 а), фундаменты из перекрестных лент (рис. 5 б), коробчатые плиты (если необходимо воспринять очень большие изгибающие моменты, возникающие в сплошных плитах, например у фундаментов высотных зданий) (рис. 7 в), круглые (рис. 7 г) или кольцевые (рис. 7 д) в плане плиты, сплошные железобетонные плиты под колонны

Гибкие фундаменты - это фундаменты, деформации изгиба которых имеют тот же порядок, что и осадки этого же фундамента.