6. Проектирование отдельно-стоящих фундаментов

Первоначально необходимо назначить глубину заложения фундамента (см. раздел 5).

Глубина заложения для данного проекта назначается с учетом:

- геологических и гидрогеологических условий строительства;

- климатических (глубина промерзания);

- характера нагрузок, действующих на фундаменты и основание:

- конструктивных особенностей фундамента и здания.

Следует обратить особое внимание, что для данного задания глубина заложения существенно связана с важнейшей конструктивной особенностью определения глубины стакана фундамента и защемления колонны в стакане (не менее 1-1.5 h колонны). Важно также установление минимального защитного слоя бетона от низа опоры колонны в стакане до подошвы фундамента (минимум 20-30 см., в соответствии с требованиями расчета на продавливание). Методики расчетов изложены в справочной и учебной литературе.

Первоначально размеры подошвы определяют как для центрально нагруженного фундамента по принятому расчетному сопротивлению грунта основания (см. раздел 4).

Площадь подошвы центрально нагруженного фундамента:

А = N_oII / (R-γ_mII·d), (6.1)

где N_oII - расчетная нагрузка по П группе предельных состояний, приложенная к обрезу фундамента (в уровне защемления колонны), кН; R - принятое расчетное сопротивление грунта основания, кПа; γ_mII - осредненное расчетное значение удельного веса грунта и материала фундамента, кН/м³ , обычно принимаемое при наличии подвала 17 кН/м³, при отсутствии подвала - 20 кН/м³; d -глубина заложения фундамента, считая от планировочной отметки, м.

После нахождения площади подошвы размеры фундамента устанавливаются:

- в случае квадратной подошвы ;

- в случае прямоугольной подошвы ,

где η - коэффициент отношения размеров большей стороны l к ширине b: .

Для ленточного (непрерывного) фундамента b=A/l, т.е. ширина численно равна площади подошвы, если используемая расчетная нагрузка приходится l = 1 м длины фундамента.

Найденные размеры подошвы фундамента округляют с учетом принятой модульности и унификации элементов конструкций, конструируют и рассчитывают фундамент на прочность. По принятым размерам фундамента определяют его объем V_f и вес N_fII = V_f γ_b, где γ_b - удельный вес материала, кН/м³, из которого будет изготовлен фундамент. Расчетный вес грунта над уступами фундамента находят из выражения:

, (6.2)

где γ’_II- удельный вес грунта обратной засыпки кН/м³.

Размеры подошвы фундамента должны быть проверены исходя из условия

; (6.3)

где p_II - среднее давление под подошвой фундамента, кПа; N_fII и N_sII - расчетные веса фундамента и грунта на уступах фундамента, кН; l и b - принятые размеры площади подошвы фундамента, м; R - расчетное сопротивление грунта основания, кПа.

При наличии действия момента и поперечной силы в уровне защемления колонны расчет размеров подошвы определяется как для внецентренно нагруженного фундамента.

Когда равнодействующая внешних сил какой-либо расчетной комбинации нагружения не проходит через центр тяжести площади подошвы фундамента, тоже размеры подошвы определяют как внецентренно нагруженного элемента.

Расчет внецентренно нагруженного фундамента целесообразно производить в два этапа. Вначале такой фундамент рассчитывается как центрально нагруженный по методике, изложенной выше, включая проверку по условию (6.3). Полученное значение площади подошвы иногда увеличивают на 10...20% и более в зависимости от эксцентриситета внешних сил. Затем последовательным приближением добиваются удовлетворения следующих условий:

для максимального краевого давления при эксцентриситете относительно одной главной оси инерции подошвы фундамента

; (6.4)

для максимального давления под углом фундамента

. (6.5)

Рекомендуется также не допускать отрыва подошвы фундамента от грунта. Это достигается соблюдением условия

. (6.6)

В случае возникновения момента от кранов грузоподъемностью более 500 кН рекомендуется выполнять условие

. (6.7)

В общем случае, если момент действует относительно обеих главных осей инерции

(рис. 6.1), краевое давление

, (6.8)

где N_II - вертикальная расчетная нагрузка в уровне подошвы фундамента, кН; А - площадь подошвы фундамента, м²; M_xII и M_yII – моменты от данного сочетания расчетных нагрузок относительно соответствующих главных осей инерции площади подошвы фундамента, кН·м; I_x и I_y - моменты инерции площади подошвы фундамента относительно осей x и у, м⁴. Остaльныe обозначения даны на рис.6.1.

Рис.6.1. Схема подошвы и эпюры давлений по краям подошвы внецентренно нагруженного фундамента

Значение N_II представляет собой полную нагрузку на основание, т.е.

N_{II =} N_oII+ N_fII+ N_sII , (6.9)

где N_oII - расчетная нагрузка в сечении на отметке поверхности грунта при расчете по II группе предельных состояний, кН; N_fII – расчетный вес фундамента, кН; N_sII - расчетный вес грунта на уступах фундамента, кН.

Применительно к прямоугольной площади подошвы фундамента формула (4.8) приводится к виду

. (6.10)

Эксцентриситеты е_x и е_y , м, определяют по формулам:

и . (6.11)

В случае, когда момент действует только относительно одной главной оси инерции, что бывает достаточно часто, формула (4.10) принимает вид

, (6.12)

где е - эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести площади подошвы фундамента, м;

е = М_II/N_II; (6.13)

l - размер подошвы фундамента (больший) в плоскости действия момента, м.

Проверку давления под кpaeм или углом фундамента обычно производят для двух комбинаций загружения: для максимальной нормальной силы N_maxII с соответствующим ей М_II и максимального абсолютного значения момента M_maxII с соответствующей силой N_II. Надо стремиться, чтобы от постоянных и длительных временных нагрузок давление было по возможности равномерно распределено по подошве, чтобы исключить развитие недопустимого крена.

Пример расчета подошвы отдельно-стоящего фундамента приведен в Приложении III.