Проектирование фундаментов на естественном основании

2.4.1. Определение глубины заложения подошвы фундамента

Глубина заложения фундаментов d1 должна определяться с учетом:

— назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения (например, наличие подвалов, подземных коммуникаций и т.д.);

— величины и характера нагрузок, воздействующих на основание;

— глубины заложения фундаментов примыкающих здании сооружений;

— инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований):

— гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации сооружения;

— глубины сезонного промерзания грунтов.

Нормативная глубина промерзания грунта, если она менее 2,5 м, определяется по формуле

(4.5)

где Mt— коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе (принимается по табл. 3.2);

d0 — глубина промерзания в см, зависящая от вида грунта; принимается равной: для суглинков и глин — 23 см; супесей, песков мелких и пылеватых — 28 см; песков гравелистых,

крупных и средней крупности — 30 см; крупнообломочных грунтов — 34 см.

Значения d0 для грунтов неоднородного сложения принимаются как средневзвешенные по глубине в пределах зоны промерзания [7].

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта df. определяется по формуле:

(4.6)

где Kh— коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундаментов стен и колонн.

Коэффициент Khдля фундаментов наружных стен и колонн отапливаемых зданий и сооружений принимается по табл. 4.5.

Примечание. В табл. 2.4 указаны значения коэффициента при вылете наружного ребра подошвы фундамента от внешней грани стены до 0,5 м, при вылете 1,5 м и более они повышаются на 0,1, но

не более чем до единицы; при промежуточной величине вылета Khопределяется интерполяцией.

4.4.2. Определение размеров подошвы фундамента

Площадь подошвы нагруженного фундамента определяется по формуле:

                                  (4.7)

где NOII — расчетная нагрузка, приложенная к обрезу фундамента,

кН (табл. 3.2);

R0 — расчетное сопротивление грунта основания, кПа (табл. 4.2);

γс р — средний удельный вес грунта и материала кладки фундамента, кН/м, принимаемый равным 20 кН/м3, а при наличии подвала над уступами — 16 кН/м3;

d1 — глубина заложения фундамента от планировочной отметки, м.

Для ленточного фундамента под стены b·1 = A для квадратного фундамента

для прямоугольного фундамента где η — коэффициент соотношения сторон;

η = l/b; η может быть принят по соотношению сторон колонны. Полученное значение A для фундаментов при внецентренной нагрузке должно быть увеличено на 10–20% на восприятие момента сил. Размеры подошвы фундамента следует округлять, чтобы они были кратными 100 мм.

Для ленточного фундамента ширина подошвы фундамента b принимается с учетом табл. 5.5 приложения.

4.4.3. Определение расчетного сопротивления грунта основания по прочностным характеристикам грунта основания

Расчетное сопротивление грунта основания, кПа, определяют по формуле [7, ф-ла (7)]

         (4.8)

где γC1 и γC2 — коэффициенты условий работы (табл. 4.6);

k — коэффициент надежности по грунту; k = 1;

Mγ, Mq, MC — коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения ϕ (табл. 4.7); kz=1 при b <10 м;

b — ширина подошвы фундамента, м;

γII — осредненное расчетное значение удельного веса

грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента на глубину 0,5b (при наличии подземных

вод определяется с учетом взвешивающего действия воды γsb), кН/м3;

γ′II — то же, залегающих выше подошвы в пределах глубины d1;

сII— расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

d1 — глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов

от пола подвала, определяемая по формуле:

       (4.9)

hS — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;

hсf— толщина конструкции пола подвала, м;

γcf— расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3;

db— глубина подвала — расстояние от уровня планировки

до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной b ≤ 20 м и глубиной свыше 2 м db= 2 м, при ширине подвала b > 20 м – db= 0.

Примечение. L/Н является отношением длины сооружения (здания) или его отсека к его высоте. При промежуточных значениях L/Н коэффициент γC2 определяют интерполяцией.

Примечание, ϕII — расчетный угол внутреннего трения грунта, залегающего под подошвой фундамента, при расчете по второй группе предельных состояний.

Осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы в пределах глубины d1, определяется по формуле:

              (4.10)

где hi — мощность i-го слоя грунта;

γi — удельный вес i-го слоя грунта.

После определения расчетного сопротивления грунта R уточняют размеры подошвы фундамента, подставляя в формулу (4.7) вместо Roзначение R и затем проверяют давление под подошвой фундамента (подраздел 4.4.4).

 2.5 Графический метод определения размеров подошвы фундамента

Порядок определения предварительных размеров подошвы фундамента графическим методом:

Вначале необходимо задаться минимум тремя размерами площади подошвы Афстолбчатого фундамента под колонну или минимум тремя размерами ширины b ленточного фундамента под стену.

Например, для столбчатого фундамента Аф1 = 2 м; Аф2 = 4 м;

Аф3 = 9 м, и т.д., а для ленточного: b1 = 1 м, b2 = 2 м, b3 = 3 м и т.д.

Определяется среднее давление под подошвой фундамента для каждого случая по формуле:

Величина NфII определяется по формуле (4.13).

Для ленточного фундамента Аф =bi·1, так как расчет ведется на 1 погонный метр длины фундамента.

Определенные расчетом значения РIIiв зависимости от biили Аф1 наносятся на график (рис. 4.3 в выбранном масштабе).

Определяются значения R в зависимости от ширины подошвы фундамента по формуле (4.8). Определенные расчетом значения R в зависимости от biили Аф1 наносятся на график (рис. 4.3).

Точка пересечения двух графиков дает требуемое значение размеров подошвы фундамента из условия РII = R.

При внецентренной нагрузке на фундамент (действие момента) требуемое значение Аф (b для ленточного фундамента) должно быть увеличено на 10 — 20%.

4.4.4. Проверка давлений под подошвой фундамента

Для центрально нагруженного фундамента должно удовлетворяться условие:

где PII — среднее давление по подошве фундамента, кПа;

        (4.11)

    (4.12)

где NOII — внешняя расчетная нагрузка, действующая на обрез

фундамента, кН, (табл. 3.2);

NФO — расчетная нагрузка от веса фундамента, кН;

NгpII — расчетная нагрузка от веса грунта, пола подвала над уступами фундамента, кН.

При расчетах фундаментов зданий можно принять:

  (4.13)

                (4.14)

При расчете внецентренно нагруженного фундамента методом последовательного приближения добиваются удовлетворения следующих условий:

для среднего давления по подошве Рср ≤R;

для максимального краевого давления Рmax ≤1,2 R;

для минимального краевого давления исходя из условия не допускать отрыва подошвы фундамента от грунта Рmin ≥0.

Краевое давление определяется по формуле:

          (4.15)

При рациональном запроектированом фундаменте разница между давлениями под подощвой фундамента Р и расчетным сопротивлением грунта R не должна превышать 10–15%. В случае большой разницы необходимо подобрать другие типовые элементы конструкций фундаментов с последующим расчетом напряжений под подошвой фундаментов. При недонапряжении ленточных фундаментов возможно проектирование прерывистых фундаментов с уже подобранными размерами.

Пример расчета размеров подошвы фундамента приведен в [3; 4; 6].

После выполнения всех условий для центрально и внецентренно нагруженных фундаментов производится их конструирование.

При конструировании фундамента под колонну необходимо учитывать, что его высота должна быть кратной 100 мм. Высота ступеней назначается в зависимости от полной высоты плитной части фундамента в соответствии с табл. 4.8. При назначении ширины ступени следует стремиться к тому, чтобы отношение ширины ступени к ее высоте было бы не больше двух.

Зазоры между стенками стакана и колонкой принимаются равными по низу не менее 50 мм (как правило, 50 мм) и по верху не менее 75 мм. Минимальную толщину стенок неармированного стакана поверху следует принимать не менее 0,75 высоты верхней ступени (подколенника) фундамента или 0,75 глубины стакана, но не менее 200 мм. В фундаментах с армированной стаканной частью толщина стенок стакана определяется расчетом, но должна быть не менее 150 мм.

Глубина заделки колонны должна быть не менее величины большей стороны колонны плюс 50 мм для обеспечения возможности рихтовки колонны.

Толщину дна стакана следует принимать по расчету на раскалывание и продавливание, но не менее 200 мм.

В качестве примера на рис. 4.5 дана конструктивная схема фундамента, имеющего размеры в плане 2500 х 3000 мм, под колонну 400 х 600 мм.

При конструировании сборных ленточных фундаментов под стены необходимо использовать типовые плиты железобетонные (прил., табл. 5.5) и стеновые бетонные блоки (прил., табл. 5.6). Схема ленточного фундамента показана на рис. 4.4.

Расчет осадки фундамента

Метод послойного суммирования рекомендуется СНиПом [7] для расчета осадок фундаментов шириной менее 10 м.

Величина осадки фундамента определяется по формуле:

                                      (4.16)

где β — безразмерный коэффициент, равный 0,8;

σzpi— среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i-м слое грунта;

hiи Еi — соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта (табл. 4.1);

n — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Графическое оформление расчета осадки показано на рис. 4.6, где обозначено: NL — отметка поверхности

природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента; WL — отметка уровня подземных вод; ВС — отметка нижней границы сжимаемой толщи; zg— вертикальное (природное) напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента, кПа; zр— вертикальные дополнительные напряжения от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента, кПа; Нс— глубина сжимаемой толщи.

Основная операция при расчете осадки заключается в построении эпюр zg, zрдо отметки ВС.

Строится эпюра распределения вертикальных напряжений от собственного веса грунта в пределах глубины (46) b ниже подошвы фундамента. Вертикальные напряжения от собственного веса грунта zgна границе слоя, расположенного на глубине z, определяются по формуле:

                              (4.17)

где γ i — удельный вес грунта i-го слоя;

hi— толщина i-го слоя грунта.

Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных (WL), но выше водоупора, должен определяться с учетом взвешивающего действия воды γSb(табл. 4.1).

Водоупорами следует считать глины и суглинки твердой и полутвердой консистенции при IL<0,5.

В водоупоре напряжение от собственного веса грунта любом горизонтальном сечении определяют без учета взвешивающего действия воды.

Далее определяют дополнительное (к природному) вертикальное напряжение в грунте под подошвой фундамента поформуле:

(4.18)

где PII — среднее давление (фактическое) на уровне подошвы фундамента (формула 4,14);

σzgo— вертикальное наряжение от собственного веса грунта науровне подошвы фундамента.

Толщу грунта мощностью (4÷6) b ниже подошвы фундамента разбивают на слои hi, толщиной не более 0,4 b. Этислои показывают на рис. 4.6.

Затем строят эпюру распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте по формуле

σzp= α . σzpо(4.19)

где α — коэффициент, принимаемый по табл. 4.9 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента bl η = и относительной глубины равной b2z ζ = .

Вычисления σzgи σzpдля любых горизонтальных сечений производят в табличной форме (табл. 4.10).

По полученным данным σzgи σzpстроят эпюры. Определяют нижнюю границу сжимаемой толщи (ВС). Она находится на горизонтальной плоскости, где соблюдается условие: σzp≤ 0,2 σzg.

Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации E<5,0 Мпа или такой слой залегает непосредственно ниже ВС, то нижняя граница определяется из условия σzp≤ 0,1σzg.

Границу ВС можно получить графически, построив справа эпюру 0,2 σzg. В точке пересечения с эпюрой σzpполучим границу ВС.Определяется осадка каждого слоя основания по формуле (4.16).

Осадка основания фундамента получается суммированием величины осадки каждого слоя. Она не должна превышать предельно допустимой осадки сооружений, определяемой по [прил. 4, СниП 2.02.01-83*].

В курсовом пректе допускается принять: для отдельностоящих фундаментов под колонны—Su = 8 см, для ленточныхфундаментов под стены—Su = 10 см.