Назначение фундаментов зданий и сооружений и их основные типы. Классификация фундаментов мелкого заложения на естественном основании.

Фундамент — это подземная часть здания или сооружения, воспринимающая нагрузки от надземной части и передающая их на грунтовое основание (естественное или искусственное). Фундаменты служат для равномерного распределения нагрузок по поверхности основания и передачи таких давлений своей подошвой на грунты, которые не вызовут их разрушения или недопустимых деформаций.

Естественное основание — это обычный природный грунт, используемый как опора фундаментов без его предварительной подготовки. К таким грунтам относятся скальные невыветрелые грунты, пески плотные и средней плотности, глины твёрдые, полутвёрдые и тугопластичные. Слой грунта, залегающий непосредственно под подошвой фундамента, называется несущим, а остальные слои — подстилающими.

Искусственные основания выполняют заменой естественного грунта или посредством улучшения его свойств, так как такие грунты, как рыхлые пески, лёссовые грунты, ил, торф, набухающие грунты, слабые сильно сжимаемые глинистые грунты при определённых условиях (изменении влажности, замораживании и оттаивании, быстром приложении нагрузки, динамических воздействиях) проявляют специфические свойства, которые ухудшают их природные (естественные) прочностные и деформативные показатели. Простейшее искусственное основание — это песчаная или щебёночная подушка, которая заменяет верхние ненадёжные слои грунта. Существует также большое количество иных способов улучшения свойств грунтов (поверхностное и глубинное уплотнение, химическое закрепление и т.п.).

Стоимость фундаментов в среднем составляет 10–12 % от стоимости строительства объекта, однако при сложных инженерно-геологических условиях может достигать 30 % и более. Поэтому всегда при проектировании фундаментов производят сравнение их вариантов на основе ряда технико-экономических показателей. Основным стоимостным критерием при сравнении вариантов является показатель приведенных затрат, который включает в себя себестоимость устройства фундаментов, накладные расходы, дополнительные затраты, если работы ведутся в зимнее время, капитальные вложения в производство материалов и конструкций, а также в строительные и транспортные машины, участвующие в выполнении строительно-монтажных работ. Натуральными показателями при сравнении вариантов являются суммарные затраты труда и расход материалов.

В инженерной практике современного строительства применяют три типа фундаментов:

1. Фундаменты мелкого заложения, возводимые в предварительно вырытых котлованах. Их подошва размещается на глубине до 5 м. Отношение глубины заложения фундамента к ширине подошвы не превышает 2 : 1. Передача нагрузок на основание происходит только по подошве фундаментов R₁ (рис. 1, а). Предельное состояние основания характеризуется выпиранием грунта на поверхность.

Рис. 1. Фундаменты мелкого (а) и глубокого (б) заложения (показано реактивное давление грунта)

2. Фундаменты глубокого заложения, которые погружаются за счёт собственного веса с извлечением грунта из их внутренних полостей (опускные колодцы, кессоны) или формируются в грунтах с помощью специальной технологии (стена в грунте). Такие фундаменты передают нагрузку на основание как по подошве R₁, так и за счёт сил трения по своей боковой поверхности R₂ (рис. 1, б). Глубина заложения этих фундаментов может достигать 60–70 м. Предельное состояние основания характеризуется развитием зон предельного равновесия вглубь грунта, а не выпиранием его на поверхность. О потере несущей способности основания судят по началу резкого нарастания осадки.

3. Свайные фундаменты, которые по способу передачи нагрузки на грунты основания занимают промежуточное положение между двумя приведенными выше типами фундаментов. К ним относят сваи-стойки, передающие нагрузку только своим острием или пятой R₁, и висячие сваи (сваи трения), которые передают нагрузку ещё и по своей боковой поверхности R₂.

Фундаменты обычных зданий и сооружений устраивают на естественном основании или на сваях. В отдельных случаях при новом строительстве используют искусственные (улучшенные) основания. Для тяжёлых сооружений (атомные реакторы, доменные печи, зерновые элеваторы) или зданий, имеющих подземные объёмы, а также для высотных домов, испытывающих значительные опрокидывающие моменты от ветровой нагрузки, используют фундаменты глубокого заложения.

Основными типами фундаментов мелкого заложения на естественном основании являются:

1. Отдельные фундаменты, применяемые под колонны и стены в сочетании с фундаментными балками. Для уменьшения давления на грунт подошву таких фундаментов развивают в обоих направлениях. Отдельные фундаменты не увеличивают жёсткости здания в целом, и их применяют в тех случаях, когда по расчёту относительная неравномерность осадок двух соседних фундаментов не превышает допустимых величин.

2. Ленточные фундаменты, применяемые под стены при отсутствии фундаментных балок и под колонны, когда относительная неравномерность осадок двух соседних фундаментов превышает допустимые значения (для уменьшения её величины ленточные фундаменты под колонны могут быть выполнены перекрёстными). С целью снижения давления на грунт такие фундаменты развивают только в поперечном направлении.

3. Сплошные (плитные) фундаменты, применяемые под стены при отсутствии фундаментных балок и под колонны в случае больших нагрузок и слабых грунтов, когда относительная неравномерность осадок двух соседних фундаментов превышает допускаемые значения. Допускаемые осадки для сплошных плит в 1,5 раза больше, чем для отдельных фундаментов, так как первые значительно уменьшают неравномерность осадок в двух направлениях, повышают жёсткость здания и обеспечивают совместную работу его надземной части с фундаментом.

4. Массивные фундаменты, устраиваемые в виде жёсткого массива под всем небольшим в плане сооружением (доменные печи, дымовые трубы, мачты). В случае передачи на сооружение больших моментных усилий (мачты, дымовые трубы) массивные фундаменты закрепляют анкерами (в грунте), что повышает устойчивость сооружения и позволяет уменьшить его массу и размеры.

В качестве материала фундаментов используют бутовый камень, представляющий собой крупные обломки горных пород размером до 50 см при их разработке взрывом (так разрабатывают известняк, песчаник, доломиты), кирпич, бетон, бутобетон (бетон плюс 20–30 % бутового камня с целью снижения расхода цемента) и железобетон. Дерево или металл для фундаментов мелкого заложения применяют редко и только во временных и сборно-разборных сооружениях.

По характеру работы все фундаменты мелкого заложения разделяют на гибкие, воспринимающие как сжимающие, так и растягивающие усилия, и жёсткие, работающие только на сжатие. Жёсткий фундамент отличается от гибкого своими размерами и массой. Для отдельных и ленточных фундаментов это различие устанавливают по так называемому углу жесткости α_ж. Он зависит от материала фундамента и составляет 25° – 35° для каменных материалов и 45° для бетона и железобетона. Если угол наклона, определяющий отношение между шириной и высотой уступов фундамента (рис. 2, а), или угол наклона боковых граней фундамента к вертикали α (рис. 2, б) больше угла жёсткости α_ж, то фундамент считается гибким, в противном случае — жёстким.

Для жёстких фундаментов используютбутовый камень, кирпич, бетон и бутобетон, так как они хорошо работают на сжатие и не испытывают растягивающих усилий. Бутовую кладку применяют при наличии дешёвого местного материала, она трудоёмка в изготовлении и в наше время используется редко. При изготовлении бетонных фундаментов применяют бетон класса В10–В15. Их чаще всего устраивают монолитными, бетонирование производится без опалубки в распор со стенками котлована (траншеи). Бутовые, бетонные и бутобетонные фундаменты выполняют с уступами или с наклонными гранями. Высота уступа принимается не менее 30 см для бетона, не менее 40 см для бутовой кладки и бутобетона, а для кирпичной кладки — не менее трёх-четырёх рядов кирпича по высоте.

Рис. 2. Отдельный фундамент мелкого заложения: а – с уступами (ступенями), б – с наклонными боковыми гранями

Гибкие фундаменты выполняют из железобетона, так как он воспринимает не только сжимающие, но и растягивающие усилия при изгибе. При этом используют бетон класса В15–В25 и рабочую арматуру класса А300 (А-II) и А400 (А-III).

По технологии изготовленияжелезобетонные фундаменты могут быть сборными и монолитными. Сборные фундаменты выполняют из заранее изготовленных блоков путём омоноличивания их стыков. Это позволяет сократить сроки строительства и применять типовые конструкции. Однако именно стыки являются слабым участком таких фундаментов. Монолитные фундаменты позволяют максимально реализовать схему их работы, но трудоёмки в изготовлении. Кроме этого, в зимний период затруднено схватывание и твердение бетона.

Фундаменты рассчитывают по двум группам предельных состояний:

первая группа предельных состояний – по несущей способности (расчёты на прочность по нормальным и наклонным сечениям, продавливание и местное сжатие);

вторая группа предельных состояний – на трещиностойкость (расчёты по образованию и раскрытию трещин).

Расчёты по первой группе предельных состояний производят на расчётные нагрузки и используют расчётные сопротивления материалов. Расчёты по второй группе предельных состояний производят на нормативные нагрузки и используют нормативные сопротивления материалов.

Основания также рассчитывают по двум группам предельных состояний:

первая группа предельных состояний – по несущей способности (расчёты на прочность, опрокидывание и сдвиг);

вторая группа предельных состояний – по деформациям (расчёты осадок, крена и горизонтального смещения).

При проектировании фундаментов используют идеализированные расчётные схемы, упрощающие гипотезы и допущения. Первоначально производят расчёт основания по второй группе предельных состояний, так как неравномерность осадок может привести к возникновению дополнительных усилий в конструкциях надземной части и, как следствие, к утрате их несущей способности. При этом использование соответствующих расчётных схем при вычислении осадок предполагает ограничение среднего давления под подошвой фундамента р_n величиной расчётного сопротивления грунта R (индекс «n» подчёркивает, что давление на грунт вычисляют от нормативных нагрузок). Вместе с тем выполнение этого условия в обычных случаях проектирования обеспечивает устойчивость основания и его расчёт по первой группе предельных состояний не требуется. Расчёт основания по несущей способности производится лишь в следующих ситуациях:

1) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе сейсмические;

2) сооружение расположено на откосе или вблизи него;

3) основание сложено слабыми медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами;

4) основание сложено скальными грунтами.

При выполнении всех вышеуказанных проверок основания переходят к расчётам самих фундаментов, причём сначала по первой группе предельных состояний, а затем уже и по второй, так как образование трещин приводит к снижению долговечности фундаментов из-за коррозии арматуры, но не к внезапной потере их несущей способности.

При определении нагрузок на фундаменты руководствуются положениями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» и СТО 36554501-015-2008 «Нагрузки и воздействия». Расчёт фундаментов и грунтов основания производят на основные и особые сочетания нагрузок. В основные сочетания входят постоянно действующие и временные (длительные и кратковременные) нагрузки с соответствующими коэффициентами сочетания. Особые сочетания нагрузок состоят из постоянных, временных (длительных и кратковременных) и одной из особых нагрузок, также вводимых в расчёт с соответствующими коэффициентами сочетания. К особым нагрузкам относят сейсмические и аварийные воздействия, нагрузки от просадки оснований при их замачивании и т.п. Деформации грунтов по второй группе предельных состояний определяют от основных сочетаний нормативных нагрузок. Несущую способность грунтов и несущую способность фундаментов по первой группе предельных состояний определяют от основных и особых сочетаний расчётных нагрузок. Трещиностойкость фундаментов по второй группе предельных состояний определяют от основных и особых сочетаний нормативных нагрузок. Временные нагрузки от подвижного подъёмно-транспортного оборудования во всех этих расчётах учитывают как кратковременные. Временные нагрузки на перекрытия зданий и снеговые нагрузки учитывают как длительные при расчёте деформаций грунтов и как кратковременные во всех остальных случаях.

Последовательность проектирования оснований и фундаментов:

1. Расчёт нагрузок, действующих на обрез (верхнюю поверхность) фундамента.

2. Оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства (характер напластования грунтов, положение горизонта грунтовых вод с учётом его сезонных колебаний и агрессивности по отношению к материалу фундамента).

3. Определение нормативных и расчётных характеристик грунтов каждого слоя (влажность, плотность, пористость, удельный вес, модуль общей деформации, угол внутреннего трения, удельное сцепление и т.д.).

4. Выбор глубины заложения фундамента.

5. Назначение предварительных размеров подошвы фундамента.

6. Вычисление расчётного сопротивления грунта основания R.

7. Проверка среднего и краевых давлений по подошве фундамента и уточнение в случае необходимости её размеров.

8. Проверка давления по кровле слабого подстилающего слоя грунта при его наличии под подошвой фундамента и уточнение в случае необходимости её размеров.

9. Расчёт основания по второй группе предельных состояний –
по деформациям (осадки, крен, горизонтальные перемещения фундамента).

10. Расчёт основания по первой группе предельных состояний –
по несущей способности (на прочность и устойчивость против сдвига по подошве, против опрокидывания и выдёргивания фундамента), выполняемый в случае необходимости.

11. Расчёт фундамента по первой группе предельных состояний – по несущей способности (на прочность по нормальным и наклонным сечениям, продавливание и местное сжатие).

12. Расчёт фундамента по второй группе предельных состояний – на трещиностойкость (по образованию и раскрытию трещин).

ЛЕКЦИЯ 2

Основные конструктивные элементы отдельного железобетонного фундамента мелкого заложения. Конструктивные решения его обреза и стакана. Выбор глубины заложения фундамента. Назначение высоты фундамента и ступеней его плитной части при предварительном конструировании. Устройство подготовки под фундамент. Эпюры реактивного давления (отпора) грунта. Расчётное сопротивление грунта основания. Допускаемые давления на грунтовое основание

Отдельный фундамент состоит из плитной части (рис. 3, поз. 4, 5) и подколонника (рис. 3, поз. 3). Плитную часть конструируют ступенчатой (рис. 3, а), что позволяет упростить процесс бетонирования, или пирамидальной (рис. 3, б), что приводит к уменьшению расхода бетона.

Центрально нагруженный фундамент (центр тяжести его подошвы и внешней нагрузки находятся на одной вертикали) проектируют квадратным в плане, а внецентренно нагруженный (внешняя нагрузка приложена с эксцентриситетом относительно центра тяжести подошвы фундамента) – прямоугольным с соотношением ширины b_f (меньший размер) к длине l_f(больший размер) в пределах b_f /l_f = η = 0,6...0,85 в зависимости от указанного эксцентриситета.

Сборные фундаменты конструируют в виде цельного блока, состоящего из пирамидальной плитной части и подколонника. Применение сборных фундаментов из нескольких блоков нерационально и используется при необходимости соответствия массы отдельных элементов и грузоподъёмности монтажных кранов.

Основные конструктивные элементы отдельных фундаментов приведены на рис. 3. Верхняя поверхность, на которую опираются надземные конструкции, называется обрезом (рис. 3, поз. 1). Нижняя плоскость, через которую нагрузка передаётся на основание – подошвой (рис. 3, поз. 2). Высота фундамента h_f (рис. 3, поз. 10) определяется расстоянием от уровня его обреза до подошвы. Расстояние от поверхности планировки грунта до подошвы (рис. 3, поз. 9) называется глубиной заложения фундамента h_gf .

Рис. 3. Конструктивные элементы отдельного железобетонного фундамента: а – монолитного, б – сборного.

Устройство обреза фундамента зависит от характера опирающихся на него конструкций. При железобетонных колоннах (рис. 4, а, в) обрез назначают на отметке ­–0,15 м, что даёт возможность произвести обратную засыпку грунта до монтажа сборных или возведения монолитных колонн, забетонировать элементы, применяемые при рихтовке сборных колонн, а так же произвести установку опалубки монолитных колонн.

При металлических колоннах обрез фундаментов устраивают на 0,5...1 м ниже уровня пола (рис. 4, б), чтобы можно было разместить башмаки (базы) колонн (траверсы и опорную плиту). После монтажа колонн весь башмак во избежание коррозии металла бетонируют.

Монолитные железобетонные колонны являются продолжением подколонника и часто имеют совместную с ним арматуру (рис. 4, в). Размеры поперечного сечения подколонника по сравнению с размерами колонны принимают увеличенными в каждую сторону на 50 мм, что необходимо для удобства установки опалубки колонны.

Рис. 4. Конструктивные решения соединения колонн с отдельным фундаментом: а – сборной железобетонной, б – металлической, в – монолитной железобетонной

Для установки сборных железобетонных колонн в подколоннике устраивают специальное углубление – стакан (рис. 3, поз. 7). Зазоры между стенками стакана и колонны принимают по низу 50 мм, а по верху 75 мм. Для возможности рихтовки колонны глубину стакана h_st (рис. 3, поз. 14) принимают на 50 мм больше глубины заложения колонны в стакан h_с,st (рис. 4, а). Расстояние от дна стакана (рис. 3, поз. 8) до подошвы фундамента принимают не менее 200 мм для исключения возможности его продавливания колонной в процессе монтажа (до замоноличивания стыка).

Глубину заложения колонны в стаканh_с,st принимают такой, чтобы обеспечить её надёжную заделку в фундаменте, препятствующую повороту в плоскости действия изгибающего момента, надёжную анкеровку сжатой и растянутой арматуры колонны, надёжное сцепление растянутой ветви двухветвевой колонны с бетоном замоноличивания стыка.

Значение h_с,st зависит от формы поперечного сечения колонны (прямоугольная, двухветвевая), её размеров (l_c – больший размер поперечного сечения, b_с – меньший размер) и эксцентриситета внешней нагрузки в уровне обреза фундамента е₀ .

Для колонн прямоугольного сечения при е₀ ≤ 2∙l_с значение h_с,st принимают не менее l_an и l_c , а при е₀ > 2∙l_с величину h_с,st вычисляют по формуле h_с,st = l_с + 0,33∙(l_c – 2∙t_st)∙(е₀/l_c – 2) и принимают также не менее l_an и l_c, но и не более 1,4∙l_c.

Требуемая длина анкеровки сжатой арматуры колонны ниже уровня обреза фундамента составляет l_an = (10...18)∙d_s , а растянутой арматуры – l_an = (20...35)∙d_s . Величина l_an зависит от проектного класса бетона, класса арматуры и формы поперечного сечения колонны.

Для двухветвевых колонн при l_c < 1,2 м величину h_с,st вычисляют по формуле h_с,st = l_с∙[1 – 0,8∙(l_с – 0,9)], а при l_c ≥ 1,2 м — по формуле h_с,st = 0,5 + 0,33∙l_с , но в любом случае глубину заложения колонны в стакан принимают не менее значения l_an и не более 1,2 м.

Надёжное сцепление и анкеровка растянутой ветви двухветвевой колонны обеспечивается выполнением двух условий:

• по плоскости контакта бетона замоноличивания с бетонной поверхностью стакана

;

• по плоскости контакта бетона замоноличивания с бетонной поверхностью ветви колонны

,

где

N_rv – усилие растяжения в ветви колонны;

l_rv, b_rv – размеры поперечного сечения растянутой ветви;

R′_an , R′′_an – величина сцепления бетона замоноличивания с вышеуказанными поверхностями.

При изготовлении фундамента в деревянной опалубке принимают R′_an = 0,35∙R′_bt , R′′_an = 0,4∙R′_bt , а при использовании металлической опалубки – R′_an = 0,18∙R′_bt , R′′_an = 0,2∙R′_bt , где R′_bt – расчётное сопротивление растяжению бетона замоноличивания.

После всех вычислений глубину заложения колонны в стакан принимают кратно 50 мм в большую сторону.

Толщину стенок стаканаt_st (рис. 3, поз. 15) в уровне обреза фундамента в плоскости действия изгибающего момента принимают для колонн прямоугольного сечения при е₀ ≤ 2∙l_с и двухветвевых колонн не менее 150 мм и не менее 0,2∙l_с , а для колонн прямоугольного сечения при е₀ > 2∙l_с — не менее 150 мм и не менее 0,3∙l_с . Из плоскости действия изгибающего момента в любом случае принимают t_st ≥ 150 мм. Стенки стакана армируют конструктивно, если их толщина в уровне обреза фундамента составляет не менее 200 мм и не менее 0,75∙h_st . Если эти условия не выполняются, то их армирование осуществляют по расчёту.

Глубина заложения фундаментаh_gf является одним из основных параметров, обеспечивающих необходимую несущую способность и допустимые деформации основания. При её назначении учитывают следующие факторы:

1) конструктивные особенности проектируемого здания (наличие подвалов и подземных помещений разной высоты, требуемую глубину заделки сборных колонн в стакан и т. п.);

2) величину нагрузок и воздействий на фундаменты;

3) глубину заложения фундаментов примыкающих зданий;

4) глубину прокладки инженерных коммуникаций (исключается возможность их прокладки под подошвой фундамента, предусматривается устройство специальных технологических отверстий в фундаменте с запасом на ожидаемую осадку);

5) инженерно-геологические условия площадки строительства (характер напластования грунтов, их физико-механические свойства);

6) гидрогеологические условия площадки строительства (уровень горизонта грунтовых вод и степень его агрессивности по отношению к материалу фундамента) и возможные их изменения в процессе строительства и эксплуатации;

7) глубину сезонного промерзания грунтов;

8) тепловой режим возводимого здания.

После конструктивного решения обреза фундамента и выбора глубины его заложения назначают высоту фундаментаh_f (рис. 3, поз. 10). При изготовлении фундамента в инвентарной щитовой опалубке (сборном или монолитном варианте) размеры в плане подколонника l_cf , b_cf (рис. 3, поз. 20, 21) и ступеней плитной части l_f (l₁), b_f (b₁), l₂, b₂ (рис. 3, поз. 16, 17, 18, 19) принимают кратно 300 мм. Высоту ступеней h₁ , h₂ (рис. 3, поз. 13) и высоту подколонника h_cf (рис. 3, поз. 11) назначают кратно 150 мм. При использовании индивидуальной щитовой опалубки все размеры в плане разрешается принимать кратно 100 мм, а по высоте — кратно 150 мм. В любом случае высота фундамента в целом кратна 300 мм.

Полную высоту плитной части фундамента h_pl и её ступеней h₁, h₂, h₃ определяют расчётом на продавливание, но при предварительном конструировании принимают не более трёх ступеней плитной части и высоту нижней ступени не менее 300 мм. При высоте фундамента h_f до 120 см включительно существует возможность его конструирования только из плитной части без подколонника: h_f ≤ 45 см — одна ступень плитной части, 45 см < h_f ≤ 90 см — две ступени плитной части, 90 см < h_f ≤ 120 см — три ступени плитной части. При h_f ≥ 150 см рекомендуется устройство подколонника: h_f = 150 см — подколонник и одна ступень плитной части, h_f = 180 см — подколонник и две ступени плитной части, h_f ≥ 210 см — подколонник и три ступени плитной части. При необходимости высоту ступеней принимают равной не только 300 мм, но и 450 мм, и 600 мм, начиная с нижней.

Независимо от грунтовых условий под фундаментами устраивают подготовку (рис. 3, поз. 6): под монолитными — бетонную, толщиной 100 мм из бетона класса В10 с целью предотвращения вытекания цементного молока; под сборными — из песка средней крупности слоем также 100 мм для устранения неровностей в плоскости контакта подошвы фундамента с грунтом основания, образующихся при разработке котлована ковшом экскаватора. При устройстве фундаментов на скальных грунтах для устранения неровностей в любом случае делают бетонную подготовку. Защитный слой бетона для арматуры подошвы фундамента при наличии подготовки принимают равным 35 мм, а при отсутствии подготовки — 70 мм, что допускается под сборными фундаментами при сухих песчаных и гравелистых грунтах.

Размеры ступеней фундамента назначают такими, чтобы их контур находился снаружи или касался боковых граней усечённой пирамиды, верхним основанием которой служит опорное сечение колонны или подколонника, а грани наклонены к горизонту под углом 45°. По такой пирамиде возможно продавливание плитной части фундамента. Этому продавливанию препятствует работа бетона на растяжение по боковым поверхностям пирамиды и отпор (реактивное давление) грунта.

После сбора нагрузок на обрез фундамента, оценки инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства, определения нормативных и расчётных характеристик грунтов, выбора глубины заложения фундамента и его размеров проверяют среднее (p_n) и краевые (p_n,max, p_n,min) давления по подошве фундамента и при необходимости уточняют его размеры в плане. Эти давления вычисляют от основных сочетаний нормативных нагрузок с учётом веса фундамента и грунта на его уступах (рис. 5).

Рис. 5. Эпюры реактивных давлений грунта при различном эксцентриситете внешней нагрузки

Реактивное давление грунта принимают равномерно распределённым у центрально нагруженных фундаментов (рис. 5, а) или изменяющимся по трапецеидальному закону у внецентренно нагруженных фундаментов (рис. 5, б, в). Частичный отрыв подошвы фундамента от грунта (рис. 5, г) допускается только на стадии монтажа строительных конструкций. Во всех остальных случаях требуется, чтобы выполнялись следующие условия:

p_n ≤ R — для центрально нагруженных фундаментов;

p_n,max ≤ 1,2R — для краевых точек внецентренно нагруженного фундамента при действии изгибающего момента в одной плоскости;

p_n,max ≤ 1,5R — для угловых точек внецентренно нагруженного фундамента при действии изгибающих моментов в двух плоскостях;

p_n,min ≥ 0 — для краевых точек внецентренно нагруженного фундамента при действии эксплуатационной нагрузки;

p_n,min / p_n,max ≥ 0,25 — для внецентренно нагруженных фундаментов промышленных зданий с мостовыми кранами грузоподъёмностью 75 т и выше с целью уменьшения возможного крена.

Расчётное сопротивление грунта основанияR вычисляют по методике СНиП 2.02.01-83^* «Основания зданий и сооружений» и СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений». При этом учитывают следующие факторы:

1) классификационные показатели грунта (гранулометрический состав, плотность, степень влажности, консистенцию, процентное содержание глинистых частиц);

2) прочностные характеристики грунта (угол внутреннего трения, удельное сцепление);

3) физические характеристики грунта (удельный вес, пористость, влажность);

4) деформационные характеристики грунта (модуль деформации, коэффициент Пуассона);

5) характер напластования грунтов, залегающих выше подошвы фундамента;

6) характер напластования грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента;

7) конструктивную схему здания, влияющую на его чувствительность к деформациям основания;

8) глубину заложения фундамента, его форму и размеры в плане, наличие подвала.

ЛЕКЦИЯ 3

Определение размеров подошвы отдельного железобетонного фундамента под колонны. Расчёт плитной части центрально и внецентренно нагруженного фундамента на продавливание. Расчёт фундамента по прочности на раскалывание

Как показывает практика, при выполнении вышеприведенных условий по реактивному давлению грунта расчёт основания по первой группе предельных состояний обеспечивается автоматически за счёт коэффициентов, входящих в формулу для определения R. Основным становится расчёт основания по второй группе предельных состояний, а потому при вычислении реактивных давлений грунта используют основные сочетания нормативных нагрузок (рис. 6).

Рис. 6. Расчётные схемы к определению размеров подошвы отдельного фундамента: а – центрально нагруженного, б – внецентренно нагруженного

Среднее давление по подошве фундамента может быть определено следующим образом:

,

где

N_n — продольная сила от вертикальной нормативной нагрузки в уровне обреза фундамента;

G_n,f — вес фундамента;

G_n,gr — вес грунта на уступах фундамента;

l_f , b_f — размеры подошвы фундамента в плане.

Вместе с тем, вес фундамента и грунта на его уступах можно представить в следующем виде:

G_n,f + G_n,gr = γ_m · b_f · l_f · h_gf ,

где γ_m — средний удельный вес фундамента и грунта на его уступах (при наличии подвальных помещений принимают γ_m = 17 кН/м³, а при их отсутствии — 20 кН/м³).

В результате получаем:

,

где l_f ·b_f = A_f — площадь фундамента по подошве.

При предварительном конструировании вместо R используют R₀ – условное расчётное сопротивление несущего слоя грунта. R₀ определяют с учётом классификационных и физических характеристик грунта. В результате требуемую площадь подошвы фундамента вычисляют по формуле

.

По величине A_f устанавливают размеры фундамента по подошве:

• для центрально нагруженных фундаментов

;

• для внецентренно нагруженных фундаментов предварительно задаются соотношением сторон и тогда

b_f = η · l_f .

Эти размеры округляют в большую сторону с учётом принятой модульности и унификации элементов конструкций (кратно 100 мм или 300 мм). Далее уточняют значение расчётного сопротивления грунта основания R с учётом всех вышеперечисленных для него факторов и проверяют среднее и краевые давления на грунт по подошве фундамента по формулам:

• для центрально нагруженных

;

• для внецентренно нагруженных

,

,

где — момент сопротивления подошвы фундамента.

При невыполнении этих условий увеличивают размеры фундамента по подошве, а при их выполнении производят расчёты основания по второй и первой группе предельных состояний. После всех вычислений и проверок приступают к расчётам фундамента по несущей способности. Это расчёт плитной части фундамента на продавливание, расчёт на прочность по нормальным и наклонным сечениям как плитной части, так и подколонника, расчёт подколонника на местное сжатие (смятие).