Фундаменты гражданских и промышленных зданий

Если исходить из положения в пространстве, фундаменты являются самым нижним конструктивным элементом зданий и сооружений. Они передают все усилия от вышележащих конструкций на грунтовое основание. От прочности и устойчивости фундаментов, в основном, зависят прочность и устойчивость всего здания. В процессе эксплуатации фундаменты испытывают воздействие как силовых факторов - вес вышележащих конструкций и действующих на них нагрузок различного вида, так и несиловых воздействий - температуры грунта и воздуха, влажности грунта, техногенных явлений и сил морозного пучения. Все эти воздействия должны учитываться при проектировании фундаментов. По заглублению в грунт фундаменты бывают глубокого и мелкого заложения. Фундаменты глубокого заложения имеют подошву заглубленную ниже уровня расчетного промерзания грунта, а фундаменты мелкого заложения, подошву выше этого уровня. По способу возведения железобетонные фундаменты разделяются на монолитные, сборные и сборно-монолитные. По конструктивному решению различают фундаменты - ленточные, столбчатые, плитные, свайные и фундаменты комбинированного типа.

Рис. 9.1. Монолитные ленточные

фундаменты:

а - фрагмент плана; б - разрезы для здания с подвалом; в - разрезы для бесподвального здания

Ленточные фундаменты устраивают под зданиями стенового типа или каркасного типа, когда необходимо устройство перекрестных фундаментных лент (например, в случае карстового основания). Ленточные фундаменты целесообразно устраивать в тех случаях, когда их ширина оставляет возможность отрывки отдельных траншей для параллельных стен. Это ограничивает их устройство глубиной фундаментов до 3 м. При большей глубине откосы соседних траншей начинают смыкаться друг с другом или требуется устройство креплений вертикальных стен траншей, что естественно увеличивает стоимость работ. Монолитные железобетонные ленточные фундаменты применяются при любых грунтовых условиях. Опорная часть такого фундамента выполняется в виде железобетонной плоской или ступенчатой ленты, а вертикальная часть в виде неармированной или слабо армированной стенки (рис. 9.1). Монолитная фундаментная ленточная плита при восприятии нагрузок работает как консоль в поперечном направлении, однако ее необходимо армировать не только поперечной, но и продольной арматурой. Наличие продольной арматуры позволяет ленточному фундаменту перераспределять усилия вдоль фундамента, что увеличивает его надежность при наличии неоднородных свойств основания. При возведении малоэтажных жилых зданий большое распространение получил вариант сборно-монолитного ленточного фундамента (рис. 9.2), когда по монолитной железобетонной ленте воздвигается стенка из сборных бетонных блоков.

Рис. 9.2. Сборно-монолитные ленточные

фундаменты:

а - со сборными блоками и монолитными участками между ними; б - с монолитной обвязкой и плитой- подушкой; 1 - бетонный блок ФБС; 2 - монолитная вставка; 3 - обвязочная балка; 4 - монолитная подушка

Сборные ленточные фундаменты выполняют из плит-подушек и бетонных стеновых блоков (рис. 9.3). Сборные плиты-подушки выпускаются размерами: толщиной 300, 400 и 500 мм, шириной от 600 до 3200 мм, длиной 1200, 2400 и 3000 мм. Стеновые фундаментные блоки бывают сплошные (типа ФБС), пустотные и дырчатые и все имеют стандартную длину 2400 мм и высоту 600 мм. Толщина этих блоков изменяется от 300 до 600 мм с шагом 100 мм.

Рис. 9.3. Элементы сборных ленточных фундаментов:

а - фрагмент плана; б - сечение; в÷д - фундаментные стеновые блоки;

е÷з - фундаментные плиты

Столбчатые фундаменты устраивают под отдельные столбы, колонны каркаса зданий или под стены бесподвальных легких зданий. Столбчатый фундамент состоит из подколонника и плитной части, которая может быть ступенчатой. Под железобетонные колонны одноэтажных промышленных зданий, в основном, применяют монолитные ступенчатые фундаменты стаканного типа (рис. 9.4), а для металлических колонн одноэтажных или многоэтажных зданий фундаменты с выпуском анкерных болтов. Фундамент состоит из подколонника и плоской или ступенчатой плиты. Высота фундаментов принимается от

1, 5 м до 4,2 м с шагом 0,3 м, размеры уступов в плане и по высоте принимаются равными 0,3 или 0,45 м. Количество ступеней рекомендуется принимать: при высоте фундамента

Н ≤ 400 мм - одну ступень, при 400 ≤ Н ≤ 900 две ступени, при Н > 900 - три.

Рис. 9.4. Монолитный железобетонный фундамент стаканного типа под сборную колонну:

а - одноступенчатый; б - двухступенчатый; в - трехступенчатый; г - подколонник; д -вид сверху

Рис. 9.5. Сборные железобетонные фундаменты под колонны:

а - в - цельные подколонники;г - подколонник на плите;

д - фундамент из трех плит; е - подколонник на двух рядах плит

В стакане фундамента выполняется углубление в форме усеченной пирамиды для установки железобетонной колонны. Глубина стакана принимается не менее длины анкеровки продольной арматуры колонны на сжатие и не менее большей стороны ее сечения. Расстояние между дном стакана и подошвой фундамента должно быть не менее 200 мм.

Рис. 9.6. Армирование столбчатых фундаментов:

а,б - монолитные с монолитными колоннами; в,г - монолитные

под сборные колонны; д,е - сборные под сборные колонны

В месте опирания колонны минимальное расстояние между гранью колонны и стенкой стакана составляет 50 мм, а на обрезе фундамента это расстояние принимается не менее 75мм. Толщина стенки стакана в обрезе фундамента должна быть не менее 175 мм для монолитных фундаментов и не менее 150 мм для сборных. Сборные столбчатые фундаменты могут быть цельными или состоящими из блока и плиты или из нескольких различных блоков и плит (рис. 9.5). Цельные фундаменты невелики по размерам и весу. Под подошвы фундаментов устраивают подготовку: при плотных и сухих грунтах песчанную или щебеночную толщиной 100 - 150 мм, при слабых или влажных грунтах бетонную такой же толщины. Сборные плиты и подстаканники укладывают друг на друга на слое цементного раствора. Столбчатые фундаменты выполняют из тяжелого бетона классов В15 и выше. Подошвы фундаментов армируют сварными сетками из арматуры класса A300 или класса A400 диаметром не менее 10 мм (рис. 9.6). Защитный слой бетона принимают: при бетонной подготовке 35 мм и 70 мм при песчаной или щебеночной подготовке. Армирование стакана выполняют в виде арматурной обоймы. При высоком столбчатом фундаменте (рис. 9.6,б), его армирование выполняют аналогично армированию колонны.

Плитные фундаменты применяются при слабых грунтах в основании сооружений, при ограниченной допустимой величине осадок здания, при различной высоте отдельных частей здания в плане, при необходимости изоляции сооружения от грунтовых вод и в других случаях. Такие фундаменты всегда выполняются в монолитном железобетоне. Плита фундамента может быть плоской, ребристой или коробчатой, в зависимости от нагрузок и конструктивных требований к сооружению. Для каркасных зданий наибольшее распространение получили фундаменты из плоских плит с подколонниками (рис 9.7).

Рис. 9.7. Сплошной фундамент в виде плиты:

а - фундаментная плита с монолитными колоннами;

б - плита с подколонниками стаканного типа

Такая фундаментная плита по характеру статической работы подобна безбалочному перекрытию, в котором роль нагрузки выполняет реактивное давление грунта основания, роль опор колонны каркаса. Поэтому толщина плиты составляет 1/30 ÷ 1/35 пролета колонн. Плоские фундаментные плиты армируют сварными сетками и вдоль рабочей арматуры их соединяют внахлестку без сварки, а в нерабочем направлении располагают встык. Что касается свайных фундаментов, то это тема отдельного рассмотрения и в пределах данного курса не рассматривается. Отметим только, что при слабых грунтах монолитные ленточные и плитные фундаменты могут применяться в сочетании со свайными.

Расчет и конструирование фундаментов следует производить на основе модели, учитывающей совместное деформирование основания и несущих конструкций здания. Эти расчеты достаточно сложны и требуют применения мощных программных комплексов по статическому расчету конструкций. Здесь мы рассмотрим расчеты ленточного железобетонного фундамента и отдельного стоящего железобетонного фундамента под колонну на простейшие виды нагружения.

Расчет ленточных фундаментов состоит в определении следующих параметров: ширины подошвыbна основе расчетного сопротивления грунтов основания R при воздействии нормативных нагрузок; высоты консоли ленточного фундамента H и площади поперечного сечения рабочей арматуры A_S при воздействии на консоль фундамента реактивного давления грунта p_расот действия расчетных нагрузок. Расчет производится для отрезка фундамента единичной длины, например 1 м.

Стена верхнего строения на уровне обреза ленточного фундамента передает на него воздействия вышележащих конструкций в виде сжимающей силы N и изгибающего момента M(рис. 9.8). Необходимая ширина фундаментаb определяется из соотношения

b = N_n / ( R - γ_cр H₁) , (9.1)

где: N_n- нормативная сжимающая сила действующая на единицу длины фундамента;

R – расчетное сопротивление грунта основания; γ_cр – усредненный объемный вес фундамента и грунта на уступах фундамента (принимается равным 2 тс/м³ ); H₁ - глубина заложения фундамента. После определения, ширина фундамента округляется до величины кратной модулю и производится проверка краевого давления на основание (рис. 9.8 б,в). Сначала вычисляется среднее давление фундамента на основание

p_ср = N_n / b, (9.2)

затем величины краевых давлений

p_1,2 = N_n / b ± 6 M_N /b², (9.3)

где: M_N – изгибающий момент от действия нормативных нагрузок; p_1,2 – максимальное и минимальное краевые давления.

Необходимо чтобы соблюдались условия

p₁ ≤ 1,2 p_ср и p₂ ≥ 0 . (9.4) Расчет ленточного фундамента по прочности заключается в проверке прочности выступающей за грани стены части фундаментной ленты как консоли, нагруженной реактивным давлением основания, причем это давление вычисляется от действия расчетных нагрузок.

Рис. 9.8. К расчету основания под ленточ- ным фундаментом: а – схема; б , в – эпюры отпора грунта

Необходимая рабочая высота фундамента h₀ определяется по сопротивлению подушки фундамента на продавливание стенкой. Возможный срез, с каждой стороны стенки, происходит по плоскости, след которой начинается от грани стенки фундамента и пересекает рабочую арматуру подошвы в точке 3, отстоящей от грани стенки на половину рабочей высоты фундамента (рис. 9.8 а). Запишем условие прочности

Q ≤ R_bt h₀, (9.5)

где: R_bt – расчетное сопротивление бетона растяжению;

Q = 0,5 p_рас ( b - b_ст - h₀ ); (9.6)

p_рас – среднее значение расчетного отпора грунта основания на участке от точки 3 до края фундамента; b_ст - ширина стены фундамента. Подставляя Qиз (9.6) в (9.5) и разрешая относительно h₀ , получим

h₀ = p_рас ( b - b_ст) / (2 R_bt + p_рас)(9.7)

и H = h₀ + a, (9.8)

где а - расстояние от центра тяжести рабочей арматуры до подошвы фундамента.

Площадь сечения растянутой арматуры в подошве железобетонного фундамента определяется по сечению вдоль наружной грани стены при действии изгибающего момента

М = 0,125 р_рас (b – b_ст)². (9.9)

по правилам расчета изгибаемых железобетонных прямоугольных сечений.

Расчет отдельного фундамента под колонну выполняется по той же схеме, что и расчет ленточного фундамента. Сначала по нормативной нагрузке определяем

требуемую площадь подошвы фундамента А_фт

А_фт = N_n / (R - γ_cр H₁). (9.10)

Рис.9.9. К расчету фундамента под колонну:

1- пирамида продавливания; 2 - основание пирамиды продавливания

Затем, в зависимости от характера нагрузки, принимаем квадратную или прямоугольную форму подошвы размерами в плане a x b, кратные модулю. Далее вычисляется среднее давление под подошвой фундамента:

А_ф= a x b; p_ср = (N_n / А_ф) + γ_cр H₁, (9.11)

Если фундамент нагружен изгибающим моментом, необходимо определить величины реактивного отпора грунтового основания по краям подошвы, в плоскости действия момента. Краевые давления определяются по соотношению

p_1,2 = N_n/(а b) ± 6 M /(b a²). (9.12)

Как и в случае ленточного фундамента, необходимо чтобы соблюдались условия

p₁ ≤ 1,2 p_ср и p₂ ≥ 0 . (9.13) Далее определяем требуемую высоту фундамента Н из условия продавливания фундамента расчетным усилием сжатия N, передающимся на фундамент от колонны. Предполагается, что продавливание может происходить по поверхности пирамиды, основание которой в плоскости верха фундамента образует контур колонны, а нижнее основание расположено в плоскости растянутой арматуры, на расстоянии h₀ от верха, и образовано гранями, отходящими под углом 45⁰ от верхнего основания (рис. 9.9, сеч.III - III). Условие прочности в этом случае записывается в виде

Q ≤ R_bt h₀ 2(h_k + b_k + 2h₀), (9.14)

где: Q = N_рас - p_рас А_пир; (9.15)

реактивный отпор основания p_рас = N_рас / (ab); (9.16)

площадь основания пирамиды продавливания А_пир = (h_k + 2h₀)(b_к + 2h₀ ).(9.17)

Подставляя (9.15), (9.16) и (9.17) в соотношение (9.14) и преобразуя его, получим соотношение для определения необходимой рабочей высоты фундамента

h₀ = 0,5 (N_рас / (R_bt + p_рас))^0,5 - 0,25 (h_k + b_k) . (9.18)

По рабочей высоте определяем высоту фундамента Н. По конструктивным соображениям, высота фундамента ограничена снизу:

Н ≥ (1÷ 1,5) h_k + 25 см.

Количество ступеней определяется в соответствии с конструктивными требованиями, приведенными выше. Армирование подошвы фундамента выполняется в виде сварных сеток с рабочей арматурой, расположенной в двух направлениях. Площадь сечения арматуры в каждом направлении при ступенчатых фундаментах можно определить по изгибающим моментам, действующим на единице ширины в начале каждой ступени (рис. 9.9, сечения I - I и II - II). Рабочая арматура окончательно принимается по максимальной площади поперечного сечения из вычисленных величин в каждом направлении. Например, для приведенного на рис. 9.9 двухступенчатого фундамента, моменты вдоль грани ана единицу ее ширины, вычисляются: для сечения I - I с рабочей высотой h₀ -

М_1а = 0,125 p_рас (а - h_к)², (9.19)

для сечения II - II с рабочей высотой h^I₀ -

М_2a = 0,125 p_рас (а - a₁)². (9.20) По этим моментам рассчитываются необходимые площади поперечного сечения арматуры A_S1 и A_S2 и и из них выбирается максимум A_sa= мах (A_S1,A_S2). Далее, необходимо вычислить изгибающие моменты в перпендикулярном направлении

М_1b = 0,125 p_рас (b - b_к)², М_2b = 0,125 p_рас (b - b₁)² (9.21)

и по ним армирование - A_Sb и затем по максимальной величине из A_sa и A_Sb принимается арматурная сетка.