4.3. Проектирование фундамента на песчаной подушке.

Искусственное основание в виде песчаной распределительной подушки применяют в тех случаях, когда естественное основание оказывается недостаточно прочным или сильно сжимаемым, и его использование, например, путем увеличения площади фундамента или глубины его заложения, экономически нецелесообразно. При устройстве подушки слабый грунт вынимается на некоторую глубину и заменяется крупно- или среднезернистым песком, уплотняемым до заданной плотности с помощью грунтоуплотняющих машин. Если в основании залегают рыхлые пески, то подушка устраивается путем их глубинного виброуплотнения, либо поверхностным трамбованием. При незначительной толще слабых грунтов (илистых, заторфованных) подушка может устраиваться путем втрамбовывания в грунт щебня, гравия и т.п.

При проектировании фундамента на песчаной подушке требования к планово-высотной привязке здания и оценке инженерно-геологических условий площадки строительства те же, что и при естественном основании (см. п.4.1.). Расчет подушки сводится к определению ее размеров (см. рис.4.8) и осадки возводимого на ней фундамента в следующей последовательности.

4.3.1 Назначается глубина заложения фундамента d в соответствии с п.4.2.1. При высоком УПВ возможно заиливание подушки и ее морозное пучение (даже при крупнозернистом песке). Поэтому для этих случаев необходима проверка условия d ≥ d_f, при невыполнении которого необходимо применение специальных противопучинных мероприятий.

4.3.2. Определяется площадь фундамента а соответствии с п.4.2.2. и определяются давления по его подошве по формулам (4.8-4.10). В качестве материала подушки в курсовом проекте принять средне- или крупнозернистый песок с достигнутой плотностью ρ = 2т/м³ (γ = 20кН/м³), модулем деформации Е = 40 МПа, углом внутреннего трения φ_II = 40^о. В случае устройства основания путем уплотнения местных песков до Е = 40 МПа принять φ_II по таблице 4.4. для соответствующего вида грунта. Табличное значение расчетного сопротивления грунта подушки R_o в формуле (4.3) принять по табл. 2 к приложению 3 к СНиП /9/ (табл.46 пособия /12/) как для плотных песков. Расчетное сопротивление грунта подушки определяется по формуле (7) СНиП /9/ с использованием указанных выше значений φ_II.

4.3.3. Высота подушки h_п подбирается исходя из напряжения, которое можно передать на подстилающий (более слабый) грунт, т.е. проверяется условие (9) СНиП /9/.

Ширина b_п и длина l_п подушки назначаются с учетом угла рассеивания напряжений в подушке α^/ = 45^о – φ/2. Форма поперечного сечения подушки зависит от крутизны откосов котлованов, принимаемых в зависимости от вида грунта. Угол наклона откоса к горизонту β принимается: β = 56-50^о – для супесей твердых (J_L < 0), суглинков и глин туго- и мягкопластичных (0,25 < J_L < 0,75), β = 39-36^о – для супесей пластичных (0 ≤ J_L ≤1), β = 60-58^о – для суглинков и глин твердых и полутвердых (0 < J_L ≤ 0,25).

Уширение песчаной подушки в сторону от грани фундамента принимается равным 0,1b, но не менее 0,5 м.

Осадка фундамента на распределительной подушке определяется как и на естественном основании (см. п.4.2.3.), при этом материал подушки принимается за слой грунта с указанными в п.4.3.2. значениями γ_II и Е.

Пример 3. Определить площадь фундамента и размеры песчаной подушки из крупнозернистого песка, плотность которой характеризуется ρ = 2т/м³; γ = 20кН/м³; Е = 40 МПа; угол внутреннего трения φ_II = 40^о. Инженерно-геологические условия, нагрузки на обрез фундамента те же, что и в примерах №1 и №2.

Решение. В связи с высоким УПВ глубина заложения фундамента должна быть не менее расчетной глубины промерзания и по конструктивным соображениям принимается на глубине 2,95 м. По таблице 2 приложения 3 к СНиП /9/ определяем площадь фундамента в первом приближении:

.

По каталогу /8/ принимаем фундамент ФД 16-20: l = 3,0 м; b = 2,1 м; d = 2,95 м; V_ф = 6,37 м³.

Вес фундамента: G_ф = (6,37 + 2,1 × 1,2 × 0,55) × 25 = 194 кН.

Вес грунта на уступах с учетом К_о.р.з. = 0,95:

G_гр = (3,0 × 2,1 × 2,95 – 7,77) × 0,95 × 20,5 = 210 кН.

Эскиз фундамента представляем на рис.4.8. Усилия, приведенные к центру тяжести, равны:

3119 + 194 + 210 = 3523 кН;

743,9 + 90,6 × 2,4 = 961,3 кНм.

Определяем расчетное сопротивление грунта подушки по формуле /7/ СНиП /9/:

.

Здесь k = 1,1, т.к. характеристики с_II и φ_II приняты ориентировочно по таблицам СНиП /9/; γ_II = γ_sb = γ – γ_w, т.е. учтено взвешивающее действие воды на материал подушки, т.к. фундамент закладывается ниже УПВ.

Проверяем условия 4.8 - 4.10:

;

;

.

Условие (4.9) не выполняется. Изменяем площадь подошвы фундамента: ФД 21-25 с размерами подошвы l = 3,0 м; b = 2,4 м; V_ф = 6,07 м³. Проделав те же вычисления, получим:

; ;

.

Условия 4.8 – 4.10 соблюдаются.

Конструируем подушку в первом приближении: назначаем размеры b_п,

l_п, h_п и проверяем напряжения в уровне низа подушки от давления фундамента. По конструктивным соображениям

b_п ≥ b + 2c = 2,4 + 1,2 = 3,6 м;

l_п = l + 2c = 3,0 +1,2 = 4,2 м;

Проверяем условия (9) СНиП /9/

σ_zp + σ_zg ≤ R_z,

где z = h_п; σ_zp = α(Р – γ_II^/× d) = 0,791(496 – 17,1×2,95) = 352,5 кПа;

- по таблице 1 приложение 2 к СНиП /9/.

σ_zg = γ_II × h_п + γ_II^/ × d = 10 × 1,3 + 17,1 × 2,95 = 63,4 кПа.

Ширина условного фундамента по формуле (10) СНиП /9/

где ; .

По формуле (7) СНиП /9/

σ_zp + σ_zg = 352,4 + 63,4 = 416 кПа > 402 кПа,

Условие (10) не выполняется – необходимо увеличить толщину подушки до 1,4 м, тогда σ_zp = 297 кПа; σ_zg = 64,4 кПа; b_z = 3,2; R_z = 412 кПа;

σ_zp + σ_zg = 361,4 кПа < R_z = 412 кПа.

Условие (10) выполняется, высота подушки достаточна.

Конструирование подушки сводится к назначению её размеров (рис. 4.8).

В нашем случае h_п = 1,4 м.

Угол откоса котлована β = 39. Расчет осадки фундамента на песчаной подушке производится методом линейно-деформируемого полупространства как и фундамента на естественном основании. В учебных целях рекомендуем проделать эту операцию на ЭВМ. В соответствии с п.2.56 СНиП /9/ расчет по деформациям удовлетворен (P < R; грунтовые условия и конструктивная схема здания соответствует указанным в табл.6).