Определение глубины заложения фундамента.

Вопросы к ГОСэкзамену по дисциплине Основания и фундаменты.

1. Проектирование оснований и фундаментов по второй группе предельныхсостояний.

Вторая группа - расчеты по деформациям, обеспечивающие установление таких величин перемещений или деформаций конструкций (осадок, прогибов, углов поворота и т. п.), амплитуд их колебаний, при которых ещё не возникнут затруднения в нормальной эксплуатации сооружений и не произойдет снижение их долговечности.

Отсюда целью расчетов оснований по предельным состояниям является выбор такого технического решения фундаментов, которое обеспечит невозможность достижения сооружением предельного состояния.

Невыполнение условий расчетов по второй группе в зависимости от превышения величин возникших перемещений фундаментов и деформаций сооружения над предельными может привести сооружение как в состояние, непригодное к нормальной эксплуатации, так и сделать его полностью непригодным к эксплуатации.

Расчеты оснований по деформациям производятся исходя из условия

, (1.6)

где s - совместная деформация основания и сооружения, различные формы которой были показаны на рис. 1.2; s_u - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое нормами или заданием на проектирование.

Напомним также, что важнейшей предпосылкой применения методов расчета осадок, основанных на использовании положений теории линейного деформирования грунта, является ограничение среднего давления под подошвой фундамента р условием , где R - расчётное сопротивление грунтов основания.

Очевидно, что чем больше при прочих равных условиях будет величина R, тем большее давление под подошвой фундамента р может быть допущено. При постоянной нагрузке от сооружения на фундамент это приведет к уменьшению площади его подошвы, т. е. позволит принять более экономичное решение. Поэтому совершенствованию способов определения расчетного сопротивления грунтов основания в практике фундаментостроения уделяется большое значение.

В настоящее время в соответствии со СНиП 2.02.01 - 83* расчётное сопротивление грунтов основания определяется по формуле

, (1.7)

где γ_с1, γ_с2 - коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. СНиП 2.02.01 - 83*; k - коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта φ_II и с_II определялись непосредственными испытаниями, и равным 1,1, если они приняты по справочным таблицам; М_γ, М_q, М_с - коэффициенты, зависящие от расчётного угла внутреннего трения несущего слоя грунта, принимаемые по табл. СНиП 2.02.01 - 83*; k_z - коэффициент, принимаемый равным при ширине подошвы фундамента b < 10 м k_z = l, при м - (здесь z_o = 8 м); b - ширина подошвы фундамента, м; γ_II - осредненный расчетный удельный вес грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м3 (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды); γ’_II - то же, залегающих выше подошвы; d₁ - приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала:

(1.8)

(здесь h_s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; h_cf - толщина пола подвала, м; γ_cf - расчётный удельный вес материала пола подвала, кН/м3); d_b - глубина подвала, равная расстоянию от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной м и глубиной более 2 м принимается d_b = 2 м, при ширине подвала В > 20 м принимается d_b = 0); с_II – расчётное удельное сцепление несущего слоя грунта, кПа.

Значения предельных деформаций устанавливаются соответствующими нормами проектирования, правилами эксплуатации оборудования или заданием на проектирование сооружения.

При расчетах оснований по деформациям исходя из условия (1.6) необходимо учитывать возможность изменения как расчетных (s), так и предельных (s_u) значений деформаций основания за счет применения строительных мероприятий по уменьшению сжимаемости и неоднородности грунтов основания, а также конструктивных мероприятий, направленных на снижение чувствительности сооружении к деформациям оснований.

2. Проектирование оснований по первой группе предельных состояний.

Первая группа - расчеты по несущей способности, призванные не допустить потери устойчивости формы или положения конструкции; хрупкое, вязкое или иного характера ее разрушение; возникновение резонансных колебаний при динамических воздействиях; чрезмерные пластические деформации или деформаций неустановившейся ползучести.

Целью таких расчетов является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве или его опрокидывания. При этом принимаемая в расчет схема разрушения основания (при достижении им предельного состояния) должна быть как статически, так и кинематически возможна для данного воздействия и конструкции фундамента сооружения.

Очевидно, что невыполнение условий расчетов по первой группе, т. е. потеря основанием несущей способности, приведет сооружение в предельное состояние вплоть до разрушения и сделает его полностью непригодным к эксплуатации.

Расчет оснований по несущей способности должен производиться в следующих случаях:

а. на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т. п.), в том числе сейсмические;

б. фундамент или сооружение в целом расположены на бровке откоса или вблизи крутопадающего откоса;

в. основание сложено водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами;

г. основание сложено скальными грунтами;

д. фундамент работает на выдергивание.

Расчеты оснований по несущей способности в случаях, перечисленных выше, допускается не производить, если конструктивными мероприятиями обеспечена невозможность смещения проектируемого фундамента. К числу таких мероприятий относятся (рис. 1.21): устройство полов в подвале здания; жесткое закрепление откоса; объединение фундаментов в единую систему пространственно жесткой и прочной фундаментной конструкцией.

Расчет оснований по несущей способности производят на основное, дополнительное или особое сочетание нагрузок, исходя из условия

, (1.9)

где F - расчетная нагрузка на основание, кН; γ_с - коэффициент условий работы (для песков, кроме пылеватых, γ_с = 1,0; для песков пылеватых и пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии γ_с = 0,9; для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии γ_с = 0,85; для скальных грунтов: невывветрелых и слабовыветрелых γ_с = 1; выветрелых γ_с = 0,9; сильно выветрелых γ_с =0,8).

Рис. 1.21. Конструктивные мероприятия, препятствующие смещению фундаментов: а – наличие бетонного пола в подвале; б – жёсткое крепление стенки откоса; в – пространственно-жёсткая система фундаментно-подвальной части здания (план).

При расчетах оснований по несущей способности используют расчетные характеристики сопротивления грунтов сдвигу φ_I и c_I .Расчетные значения φ_I и c_I определяют в соответствии с формулами, приведенными ранее. Окончательный выбор φ_I и c_I, производят с учетом инженерно-геологической обстановки.

3. Виды деформаций и смещений сооружений.

4. Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчётах. Их сочетания.

5. Основные типы фундаментов мелкого заложения и области их применения.

6. Конструкции фундаментов мелкого заложения.

7. Выбор типа фундамента и глубины заложения его подошвы.

Определение глубины заложения фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше объем затрачиваемого материала и ниже стоимость его возведения, поэтому естественно стремление принять глубину заложения как можно меньшей. Однако в силу того, что верхние слои грунта не всегда обладают необходимой несущей способностью или же конструктивные особенности сооружения требуют его заглубления, при выборе глубины заложения фундамента приходится руководствоваться целым рядом факторов, основными из которых являются:

- инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки;

- глубина сезонного промерзания грунтов;

- конструктивные особенности возводимого сооружения, включая глубину прокладки подземных коммуникаций, наличие и глубину заложения соседних фундаментов;

- особенности производства строительных работ.

Инженерно-геологические условия строительной площадки.

заключается главным образом в выборе несущего слоя грунта, который может служить естественным основанием для фундаментов.

Рис. 2.14. Схемы напластований грунтов с вариантами устройства фундаментов: 1 – прочный грунт; 2 – более прочный грунт; 3 – слабый грунт; 4 – песчаная подушка; 5 – зона закрепления грунта.

Схема I. Площадка сложена одним или несколькими слоями прочных грунтов, при этом строительные свойства каждого последующего слоя не хуже свойств предыдущего. В этом случае глубина заложения фундамента принимается минимальной, допускаемой при учете сезонного промерзания грунтов и конструктивных особенностей сооружения (рис. 2.14, а). Иногда за несущий принимают слой более плотного грунта, залегающий на некоторой глубине, если это решение экономичнее (рис. 2.14, б).

Схема II. С поверхности площадка сложена одним или несколькими слоями слабых грунтов, ниже которых располагается толща прочных грунтов. Здесь возможны следующие решения. Можно прорезать слабые грунты и опереть фундамент на прочные, как это показано на рис. 2.14, в. С другой стороны, может оказаться более вводным прибегнуть к укреплению слабых грунтов или замене их песчаной подушкой (рис. 2.14, г). Если же мощность слабого слоя окажется чрезмерно большой, то рекомендуется перейти на свайные фундаменты (рис. 2.14, д).

Схема III. С поверхности площадки залегают прочные грунты, а на некоторой глубине встречается один или несколько слоев слабого грунта. В данной ситуации возможно принять решение по схеме II, но так как при этом придется прорезать толщу прочных грунтов, то более выгодным может оказаться или использование прочного грунта в качестве распределительной подушки (при обязательной проверке прочности слабого подстилающего слоя), как это показано на рис. 2.14, е, или закрепление слоя слабого грунта, как показано на рис. 2.14, ж, что позволит существенно уменьшить размер подошвы фундамента.

При выборе типа и глубины заложения фундамента по любой из рассмотренных схем придерживаются следующих общих правил:

- минимальная глубина заложения фундаментов принимается не менее 0,5 м от спланированной поверхности территории;

- глубина заложения фундамента в несущий слой грунта должна быть не менее 10... 15 см;

- по возможности закладывать фундаменты выше уровня подземных вод для исключения необходимости применения водопонижения при производстве работ;

- в слоистых основаниях все фундаменты предпочтительно возводить на одном грунте или на грунтах с близкой прочностью и сжимаемостью. Если это условие невыполнимо (основания с выклинивающими или несогласно залегающими пластами), то размеры фундаментов выбираются главным образом из условия выравнивания их осадок.

Глубина сезонного промерзания грунтов. Глубина заложения фундамента из условия промерзания грунтов назначается в зависимости от их вида, состояния, начальной влажности и уровня подземных вод в период промерзания. Проблема состоит в том, что промерзание водонасыщенных грунтов сопровождается образованием в них прослоек льда, толщина которых увеличивается по мере миграции воды из слоев, расположенных ниже уровня подземных вод. Это приводит к возникновению сил пучения по подошве фундамента, которые могут вызвать подъем сооружения: Последующее оттаивание таких грунтов приводит к резкому снижению их несущей способности и просадкам сооружения.

Наибольшему пучению подвержены грунты, содержащие пылеватые и глинистые частицы. Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности относятся к непучинистым грунтам, глубина заложения фундаментов в них не зависит от глубины промерзания в любых условиях.

Практикой установлено, что, если уровень подземных вод во время промерзания находится от спланированной отметки земли на глубине, равной расчетной глубине промерзания плюс 2 м (что связано с высотой капиллярного поднятия подземных вод), в песках мелких и пылеватых с любой влажностью и в супесях твердой консистенции глубина заложения фундаментов наружных стен и колонн назначается без учета промерзания грунта. Во всех остальных грунтовых условиях глубина заложения наружных фундаментов назначается не менее расчетной глубины промерзания. Исключение составляют площадки, сложенные суглинками, глинами, а также крупнообломочными грунтами с глинистым заполнителем при показателе текучести глинистого грунта или заполнителя I_L < 0,25. В этих условиях глубину заложения фундаментов можно назначать не менее 0,5 расчетной глубины промерзания d_f от спланированной отметки земли.

Глубина заложения внутренних фундаментов отапливаемых зданий назначается независимо от глубины промерзания, если во время строительства и эксплуатации возле фундаментов исключено промерзание грунтов. В неотапливаемых зданиях глубина заложения фундаментов для пучинистых грунтов принимается не менее расчётной глубины промерзания.

, (2.1)

где k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений по табл. СНиП 2.02.01 - 83*, а для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений - равным 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой, для которых расчетная глубина промерзания грунта определяется по теплотехническим расчетам; d_fn - нормативная глубина сезонного промерзания грунта, м.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта устанавливается по данным многолетних наблюдений (не менее 10 лет) за фактическим промерзанием грунтов в районе предполагаемого строительства под открытой, лишенной снега поверхностью, за d_fn, принимают среднюю из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания. При отсутствии этих данных нормативную глубину сезонного промерзания грунтов определяют по СНиП 2.02.01 - 83*. В случае если глубина промерзания не превышает 2,5 м, нормативную глубину промерзания можно определить по формуле

, (2.2)

где d_о -величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30; крупнообломочных грунтов - 0,34; M_t - безразмерный коэффициент, численно равный средней сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.

Если грунты с поверхности неоднородны, то d_о определяется как средневзвешенное значение в пределах глубины промерзания.

Конструктивные особенности сооружения. Основными конструктивными особенностями возводимого сооружения, влияющими на глубину заложения его фундамента, являются: наличие и размеры подвальных помещений, приямков или фундаментов под оборудование; глубина заложения фундаментов примыкающих сооружений; наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций и конструкций самого фундамента.

В зданиях с подвалом и полуподвалом, а также около приямков или каналов, примыкающих к фундаментам, глубина заложения фундамента принимается на 0,2...0,5 м ниже отметки пола в этих помещениях, что предусматривает запас на высоту фундаментного блока или конструкции приямка (рис. 2.15, а).

Рис. 2.15. Выбор глубины заложения фундамента в зависимости от конструктивных особенностей сооружения: а – здание с подвалом в разных уровнях и приямком; б – изменение глубины заложения ленточного фундамента; 1 – фундаментные плиты; 2 – приямок; 3 – трубопровод; 4 – стена здания; 5 – подвал; 6 – ввод трубопровода; 7 – стеновые блоки.

Фундаменты сооружения или его отсека стремятся закладывать на одном уровне. При необходимости заложения смежных отсеков на разных отметках требуется выполнение следующего условия. Разность отметок заложения расположенных рядом отдельных фундаментов (или отдельного и ленточного) при расстоянии в свету а между наиболее близкими точками не должна превышать величину Δh (рис. 2.15, а):

, (2.3)

где φ_I - расчетное значение угла внутреннего трения грунта, град; c_I - расчетная удельная сила сцепления грунта, кПа; р - среднее давление под подошвой расположенного выше фундамента, кПа.

Фундаменты проектируемого сооружения, непосредственно примыкающие к фундаментам существующего, рекомендуется закладывать на одном уровне.

При наличии коммуникаций (трубы водопровода, канализаций и т. д.) подошва фундамента должна быть заложена ниже их ввода. При этом условии трубы не подвержены дополнительному давлению от фундамента, а фундаменты не опираются на насыпной грунт траншей, вырытых для прокладки труб. Кроме того, в случае аварии уменьшается зона замачивания грунта, а при необходимости замены труб не будут нарушены грунты основания. Если глубина прокладки трубопровода превышает глубину заложения подошвы фундамента, в этом месте устраивают локальное углубление.

Переход от одной отметки заложения ленточного фундамента к другой осуществляется ступенями. Высота уступа в случае сборного фундамента принимается равной высоте стенового блока (рис. 2.15, б). При устройстве монолитного ленточного фундамента соотношение между высотой и длиной уступа в связных грунтах принимается равным 1:2, а в несвязных - 1:3 при высоте уступа, не превышающей 0,5...0,6 м.

Условия производства работ. Способы производства работ по устройству фундаментов зачастую имеют большое влияние на судьбу строящегося сооружения. Как отмечалось ранее, свойства грунтов в котловане могут быть ухудшены очень быстро не только в поверхностных слоях, но и на значительную глубину. Это приводит к большим осадкам расструктуривания, что опасно в первую очередь для фундаментов на естественном основании.

8. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов мелкого заложения.

При расчетах фундаментов мелкого заложения по второму предельному состоянию (по деформациям) площадь подошвы предварительно может быть определена из условия

(2.4)

где р_п - среднее давление по подошве фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок при расчете по деформациям; R - расчетное сопротивление грунта основания, определяемое по формуле (1.7).

Центрально нагруженным считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок проходит через центр площади его подошвы. Реактивное давление грунта по подошве жесткого центрально нагруженного фундамента принимается равномерно распределенным интенсивностью

, (2.5)

где - расчетная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; и - расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах (рис. 10.12); А - площадь подошвы фундамента.

Рис. 2.18. Расчётная схема центрально нагруженного фундамента.

В предварительных расчетах вес грунта и фундамента в объеме параллелепипеда ABCD, в основании которого лежит неизвестная площадь подошвы А, определяется приближенно из выражения

, (2.6)

где γ_m - среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах, принимаемое обычно равным 20 кН/м³ при отсутствии подвала и 17 кН/м³ при его наличии; d - глубину заложения фундамента, м.

Приняв и учтя (2.6), из уравнения (2.5) получим формулу для определения необходимой площади подошвы фундамента

. (2.7)

Рассчитав площадь подошвы фундамента, находят его ширину b. Ширину ленточного фундамента b, для которого нагрузки определяют на 1 м длины, находят как . У фундаментов с прямоугольной подошвой задаются отношением сторон , тогда ширина подошвы , для фундаментов с круглой подошвой .

Поскольку значение R в формуле (2.7) также неизвестно, искомую величину А можно найти из совместного решения уравнений (1.7) и (2.5) аналитическим или графическим методом. При решении графическим методом формулу (2.5) записывают в виде зависимости , которая в общем случае является гиперболой:

. (2.8)

Формула (1.7) является уравнением прямой .

Если построить графики по этим формулам, то пересечение полученной кривой и прямой даст искомое значение b, соответствующее расчетному давлению.

При аналитическом подходе используют метод последовательных приближений. Задавшись b = 1, по формуле (1.7) определяют R, а затем по уравнению (2.7) – А. Зная площадь фундамента, снова находят его ширину b и т. д. Как правило, количество приближений не превышает 2 или 3.

После вычисления значения b принимают размеры фундамента с учетом модульности и унификации конструкций.

Зная размеры фундамента, вычисляют его объём (V_f), вес ( ), вес грунта на его уступах ( ) и проверяют давление по его подошве по формуле (2.5). Найденная величина должна не только удовлетворять условию (2.4), но и быть по возможности близка к значению расчетного сопротивления грунта R . Наиболее экономичное решение будет в случае их равенства.

9. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов.

Внецентренно нагруженным считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок не проходит через центр тяжести площади его подошвы. Такое нагружение фундамента является следствием передачи на него момента или горизонтальной составляющей нагрузки, либо результатом одностороннего давления грунта на его боковую поверхность, как, например, у фундамента под наружную стену заглубленного помещения.

При внецентренном приложении внешней нагрузки эпюра контактных давлений принимается не прямоугольной, как в случае центрального приложения нагрузки, а изменяющейся по линейному закону (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Расчётная схема внецентренно нагруженного фундамента.

Размеры внецентренно нагруженных фундаментов определяют по той же методике, что и для центрально-нагруженных, но при этом требуется выполнение условий

; (2.15)

; (2.16)

; (2.17)

, (2.18)

где р_п - среднее давление под подошвой фундамента для расчета оснований по деформациям; -максимальное краевое давление под подошвой фундамента; -то же в угловой точке при действии моментов сил в двух направлениях (рис. 2.20); -минимальное краевое давление под подошвой фундамента; R - расчетное сопротивление грунта основания.

Рис. 2.20. Внецентренное загружение фундамента относительно двух главных осей инерции.

Максимальное и минимальное давления под краями прямоугольных фундаментов мелкого заложения при действии моментов сил относительно обеих главных осей симметрии определяются по формуле

, (2.19)

где N_II - вертикальная расчетная нагрузка в уровне подошвы фундамента, кН; А - площадь подошвы фундамента, м²; М_IIx и M_IIy – моменты, действующие по подошве фундамента относительно осей х и у; I_x и I_y - моменты инерции площади подошвы фундамента относительно осей х и у.

N_II - полная нагрузка на основание, т. е.

, (2.20)

где - расчетная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; и - расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах.

Для прямоугольной площади подошвы фундамента формула (2.19) приводится к виду

. (2.21)

Эксцентриситеты е_х и е_у, определяют по формулам

; . (2.22)

При недопущения отрыва подошвы фундамента от грунта принимают .

При возникновении моментов от кранов грузоподъемностью более 500 кН необходимо выполнять условие .

Для фундаментов бескрановых зданий и зданий с подвесным транспортным оборудованием допускается треугольная эпюра давлений с нулевой ординатой на расстоянии ¼ размера подошвы от наименее нагруженного ребра (рис. 2.19 и 2.21). При этом:

Рис. 2.21. Эпюра краевых давлений при допущении отрыва части подошвы от грунта.

, (2.25)

где и (2.26)

Обычно определение размеров внецентренно нагруженных фундаментов осуществляют с помощью последовательных приближений аналогично решению задачи при центральном нагружении. При этом площадь подошвы определяют по формуле (2.7) с последующим увеличением последней на 20...30 % для учета внецентренного действия нагрузки.

По принятым размерам подошвы фундамента определяют вес фундамента и грунта на его обрезах. Далее, по выражениям (2.21)…(2,22) определяют и и проверяют выполнение условий (2.15)…(2.18). Если они не выполняются, то уточняют размеры подошвы и расчёт повторяют до тех пор, пока эти условия не будут удовлетворены с требуемой точностью (5... 10%).

Наименьшая площадь А получается, когда и одновременно удовлетворяется условие (2.16). Чтобы добиться mina, увеличивают размер подошвы в направлении эксцентриситета и уменьшают перпендикулярный размер, или придают подошве сложное очертание.

10. В каких случаях допускается увеличение расчётного сопротивления грунта?

Расчетное значение R допускается увеличивать в следующих случаях:

- для фундаментных плит с угловыми вырезами на 15 %;

- для прерывистых фундаментов на 15-30 %;

- если конструкция фундамента улучшает условия его совместной работы с основанием;

- на 20 %, если расчетные деформации основания при давлении, равном R, не превосходят 40 % от предельных значений;

- для внецентренно нагруженных фундаментов на 20 % (максимальное краевое значение).

11. Проверка давления на слабый подстилающий слой грунта.

При наличии в основании слоев слабых грунтов с расчетным сопротивлением меньшим, чем давление на несущий слой, необходимо проверить давление на них и сопоставить его с расчетным сопротивлением грунта этого слоя (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Расчётная схема к проверке давления на подстилающий слой слабого грунта.

Такая проверка согласно СНиП 2.02.01-83* заключается в выполнении условия

, (2.27)

где σ_{zp и} σ_zg - вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента (соответственно дополнительное от нагрузки на фундамент и от собственного веса грунта); R_z - расчетное сопротивление грунта на глубине кровли слабого слоя на глубине z.

; (2.28)

(где ), (2.29)

здесь α - коэффициент изменения дополнительного напряжения по глубине основания, учитывающий форму подошвы фундамента; р_II -давление по подошве фундамента от расчетных нагрузок, кПа; γ_II' - удельный вес грунта в пределах глубины d, кН/м³; р_o - дополнительное давление по подошве фундамента сверх давления от собственного веса грунта на глубине d, кПа; γ_IIi - удельный вес i-го слоя грунта в пределах глубины d_z, кН/м³.

Величину R, определяют как для условного фундамента, шириной b_z с учетом рассеивания напряжений в пределах слоя толщиной z по формуле (2.31). Для этого вначале вычисляют площадь подошвы условного фундамента A_z по формуле

. (2.30)

Определив A_z, рассчитывают ширину условного прямоугольного фундамента по формуле

, (2.31)

где . Здесь l и b - длина и ширина подошвы проектируемого фундамента.

Для ленточных фундаментов .

Расчетное сопротивление слабого грунта определяется по формуле

, (2.32)

где γ_с1, γ_с2 - коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. СНиП 2.02.01 - 83*; k - коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта φ_II и с_II определялись непосредственными испытаниями, и равным 1,1, если они приняты по справочным таблицам; М_γ, М_q, М_с - коэффициенты, зависящие от расчётного угла внутреннего трения слабого слоя грунта, принимаемые по табл. СНиП 2.02.01 - 83*; k_z - коэффициент, принимаемый равным при ширине подошвы фундамента b < 10 м k_z = l, при м - (здесь z_o = 8 м); b_z - ширина подошвы условного фундамента, м; γ_II - осредненный расчетный удельный вес грунтов, залегающих ниже подошвы условного фундамента, кН/м3 (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды); γ’_II - то же, залегающих выше подошвы условного фундамента; d₁ - приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала:

(2.33)

(здесь h_s - толщина слоя грунта выше подошвы условного фундамента со стороны подвала, м; h_cf - толщина пола подвала, м; γ_cf - расчётный удельный вес материала пола подвала, кН/м3); d_b - глубина подвала, равная расстоянию от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной м и глубиной более 2 м принимается d_b = 2 м, при ширине подвала В > 20 м принимается d_b = 0); с_II – расчётное удельное сцепление слабого слоя грунта, кПа.

Если условие (2.27) не удовлетворяется, то необходимо принять большие размеры подошвы фундамента, при которых оно будет выполняться.

12. Расчёт прерывистых ленточных фундаментов мелкого заложения.

При несовпадении расчётной ширины ленточного фундамента под стену с шириной плиты, проектируется прерывистый ленточный фундамент (см. рис. 2.10, в).

Расчётное сопротивление основания R в случае применения сборных прерывистых ленточных фундаментов определяется как для непрерывных с повышением найденной величины R коэффициентом k_d, учитывающем влияние распределительной способности грунтов основания и арочного эффекта между блоками прерывистого фундамента, принимаемым по таблице

Применение прерывистых фундаментов не рекомендуется, когда:

а) грунтовые условия относятся ко II типу по просадочности;

б) грунты под подошвой фундамента являются глинистыми с показателем текучести IL > 0.5.

Прерывистые фундаменты запрещается применять, если основание сложено: рыхлыми песками; просадочными грунтами в районах с сейсмичностью свыше 6 баллов.

Проектирование прерывистых фундаментов производится в следующей последовательности:

а) рассчитывается ширина b ленточного фундамента, при которой давление по его подошве р_II при нагрузках, соответствующих расчету по деформациям, равно расчетному давлению R, т. е. p_II = R;

б) определяется площадь ленточного фундамента длиной L, подлежащего замене на прерывистый фундамент;

в) в зависимости от грунтовых условий принимается максимально допустимая величина коэффициента k_d;

г) выбирается по каталогу типоразмер блока-подушки длиной l и шириной b_пр; блок принимается, как правило, шириной, превышающей ширину ленточного фундамента, ;

д) находится минимально допустимая величина суммарной площади подошвы всех блоков прерывистого фундамента по формуле

; (2.9)

е) по величине А_пр и площади одного блока определяется необходимое число блоков п:

, (2.10)

где - поправка для округления отношения до большего целого числа;

ж) проверяется фактическая величина коэффициента k_d при числе блоков п по формуле

; (2.11)

з) определяется величина расстояния (просвета) с между блоками

; (2.12)

и) находятся значения величин давления по подошве блоков и давления по пятну фундамента, т. е. давления, отнесенного к общей площади всего прерывистого фундамента, включая просветы между блоками, и находимого по формуле

. (2.14)

В случае применения в прерывистом фундаменте блоков различной длины, например с включением укороченных блоков, определение числа блоков п и расстояний между ними с производится подсчетом без использования формул (2.10) и (2.12).

При проектировании прерывистых фундаментов необходимо учитывать следующее:

а) чем больше ширина блоков b_пр при одной и той же их длине l, тем больший просвет получается между ними.

Величина просвета между блоками прерывистого фундамента должна быть не более 1,2 м и 0,7 l, а ширина фундаментных блоков b_пр - не более 1,4 b;

б) раскладка блоков в прерывистом фундаменте осуществляется тем легче, чем меньше длина этих блоков и чем больше общая длина ленточного фундамента;

в) в проекте должно предусматриваться заполнение с трамбованием промежутков между блоками песком или местным грунтом;

г) рекомендуется подбор размеров блоков выполнять в нескольких вариантах, чтобы обеспечить при допустимых значениях с наибольшую величину повышающего коэффициента k_d и экономичность фундамента; для тех же целей целесообразно применение в случае необходимости в прерывистом фундаменте блоков не только нормальной длины, но и укороченных, например половинной длины;

д) применение прерывистых фундаментов экономически нецелесообразно, если фактическое значение коэффициента k’_d при подборе блоков стало меньше единицы и давление по подошве прерывистого фундамента меньше, чем у ленточного непрерывного фундамента;

е) краевые давления при внецентренной нагрузке не должны превышать величины ;

ж) при расчете осадок прерывистого фундамента он рассматривается как непрерывный ленточный фундамент шириной b_пр, с давлением по его подошве, равным р_пр, определяемым по формуле (2.14);

з) давление по подошве блоков , пересчитанное на нагрузки, принимаемые для расчётов по прочности, не должно превышать давления, на которое запроектирована конструкция блоков.

13. Расчёт осадок фундаментов методом послойного суммирования.

Метод послойного суммирования основан на том, что осадка основания фундамента по центральной оси подошвы определяется как сумма осадок отдельных слоев грунта п, на которые разбивается сжимаемая толща Н_с в пределах каждого геологического слоя (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Схема к расчёту осадки методом послойного суммирования: DL – отметка планировки; NL – отметка поверхности природного рельефа; FL – отметка подошвы фундамента; WL – уровень подземных вод; BC – нижняя граница сжимаемой толщи; d и d_n – глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b – ширина фундамента; р – среднее давление под подошвой фундамента; р_о – дополнительное давление на основание; σ_zg и σ_zg,o – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; σ_zр и σ_zр,o – дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузке на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Н_с – глубина сжимаемой толщи.

Мощность отдельных слоев рекомендуется принимать h ≤ 0,4 b, где b - ширина подошвы фундамента. Расчет осадки основания ведут по дополнительному давлению р_о, превышающему природное σ_zg:

, (2.34)

где р_п - среднее давление под подошвой фундамента, кПа; a.σ_zg,o - природное вертикальное напряжение от собственного веса на глубине подошвы фундамента, считая от природного рельефа, кПа; γ'_II - средневзвешенное значение удельного веса грунта в пределах глубины заложения фундамента d, кН/м³.

Дополнительные напряжения ниже подошвы фундамента (на границах слоев) определяются по формуле

, (2.35)

где α - коэффициент, определяемый по табл. 1 прил. 2 СНиП 2.02.01-83* в зависимости от соотношений и . Здесь l и b -длина и ширина подошвы фундамента; z - расстояние от подошвы фундамента до точки на оси z, в которой определяется напряжение σ_zр.

Тогда общая осадка определяется как сумма величин осадок каждого элементарного слоя s_i, в пределах сжимаемой толщи Н_с по формуле

, (2.36)

где Е_oi - модуль деформации i-го слоя грунта; β - корректирующий коэффициент, принимаемый равным 0,8.

Мощность сжимаемой толщи определяется из условия

. (2.37)

Если нижняя граница сжимаемой толщи расположена в слое сильносжимаемых грунтов с модулем деформации Е_о < 5 МПа, то расчетная толща сжимаемого слоя определяется по формуле

. (2.38)

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта σ_zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле

, (2.39)

где γ_IIi и h_i – соответственно удельный вес и толщина i-гл слоя грунта.

14. Расчёт осадок фундаментов методом линейно-деформируемого слоя конечной толщины. В случаях фундаментов больших размеров (ширина или его диаметр b > 10 м) и при залегании в основании в пределах сжимаемой толщи практически несжимаемого грунта с модулем деформации Е_о > 50 МПа, СНиП 2.02.01-83* рекомендует производить расчет осадки с использованием расчетной схемы линейно деформируемого слоя (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Схема к расчёту осадки методом линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

Расчет ведется по формуле, предложенной К.Е. Егоровым,

, (2.41)

где р_II - среднее давление под подошвой фундамента, кПа; k_m – коэффициент, принимаемый по табл. 3 прил. 2 СНиП 2.02.01-83*; k_c - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений и принимаемый в зависимости от параметра 2Н/ b по табл. 2 прил. 2 СНиП 2.02.01-83*; п - количество слоев, различающихся по сжимаемости в пределах толщи Н; k_i; и k_i-1 - коэффициенты, определяемые по табл. 4 прил. 2 СНиП 2.02.01-83* в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля i-ro и (i-1)-го слоев соответственно и ; Е_оi -модуль общей деформации грунта i-го слоя, кПа; b - ширина подошвы фундамента.

При большеразмерных фундаментах, когда в основании невозможно выделить малосжимаемый слой (Е_о > 50 МПа), мощность сжимаемого слоя определяют по эмпирической формуле

, (2.42)

где Н_о и ψ соответственно для оснований, сложенных пылевато-глинистыми грунтами, принимаются равными 9 м и 0,15, а в случае песчаных грунтов - 6 м и 0,1; k_р - коэффициент, принимаемый равным 0,8 при давлении по подошве фундамента р_II = 100 кПа и 1,2 при р_II = 500 кПа, а при промежуточных значениях по интерполяции.

Теоретические основы изложенных, а также других используемых в практике проектирования методов расчета конечной осадки фундаментов, в частности метода эквивалентного слоя и метода ограниченной сжимаемой толщи, подробно приведены в учебниках “Механика грунтов”.

15. Учёт влияния на осадку соседних фундаментов.

В рассмотренных выше случаях определялась осадка отдельно стоящего фундамента. Если в непосредственной близости от него располагается еще один или несколько фундаментов, то может оказаться, что дополнительное давление от соседних фундаментов приведет к увеличению осадки рассчитываемого фундамента. Для решения этой задачи используется метод угловых точек.

Рис. 2.25. Расчётные схемы для учёта влияния соседних фундаментов (а) и загруженных площадей (б).

Пусть, например, следует определить осадку фундамента, расположенного слева на рис. 2.25, а, под действием дополнительного давления на его подошве р₀ и с учетом соседнего, расположенного справа фундамента с дополнительным давлением по подошве р'₀. Эпюры природного давления 1 и дополнительного напряжения 2 по оси, проходящей через центр рассчитываемого фундамента, могут быть определены в соответствии с изложенным выше. Точку С, являющуюся центром рассчитываемого фундамента, можно представить как угловую точку прямоугольника авге, часть которого (бвгд) загружена равномерно распределенной нагрузкой р'₀. Тогда для схемы, приведенной на рис. 2.25, а, дополнительное напряжение в точке М, расположенной на оси z, от действия соседнего фундамента примет вид

, (2.40)

где - угловое напряжение на глубине z при загружении прямоугольника авге нагрузкой р'₀;

- то же, при фиктивном загружении прямоугольника абде.

Значения углового напряжения по оси z от действия соседнего фундамента определяются в соответствии с изложенным ранее. Кривая 3 на рис. 2.25, а показывает увеличение дополнительного давления для рассчитываемого фундамента (кривая 2) за счет влияния соседнего фундамента.

Отметим, что при этом не только увеличивается площадь эпюры дополнительных давлений, но и понижается граница сжимаемой толщи, что в совокупности приводит к возрастанию осадки фундамента.

Если при строительстве сооружения имеет место планировка территории подсыпкой (переход от отметки NL к отметке DL) или загружение пола помещений нагрузкой q (рис. 2.25, б), то неизбежно возникновение дополнительной осадки. При распространении дополнительной нагрузки q в стороны от оси z на расстояние не менее мощности сжимаемой толщи, дополнительную осадку можно рассчитывать по схеме одномерной задачи. Тогда к эпюре дополнительных напряжений 2 на рис. 2.25, б добавляется равномерная эпюра с ординатой q и расчет осадок ведется с учетом полной эпюры. Мощность сжимаемой толщи при этом также увеличивается.

16. Графоаналитический метод расчёта несущей способности основания (метод круглоцилиндрических поверхностей).

17. Расчёт устойчивости фундамента на сдвиг по подошве.

Производится он во всех случаях, когда на фундамент действуют горизонтальные нагрузки или основание сложено грунтами в не-стабилизированном состоянии. При стабилизированном состоянии грунтов основания указанный расчет должен производиться обязательно, если не выполняется условие (2.62), т. е. когда .

Расчетом на сдвиг должно быть удовлетворено условие (2.55), которое можно представить в виде

, (2.70)

где и - соответственно суммы проекций на плоскость сдвига расчетных сдвигающих и удерживающих сил.

В соответствии с расчетной схемой (рис. 2.33) сумму удерживающих и сдвигающих сил можно выразить формулами

Рис. 2.33. Схема к расчёту фундамента на сдвиг по подошве и опрокидывание: Т_sr – сила трения подошвы фундамента по грунту; WL – положение уровня подземных вод.