Что значит учесть действие момента на фундамент мелкого заложения

Глава 5. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

5.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проектирование оснований является неотъемлемой составной частью проектирования сооружений в целом. Статическая схема сооружения, его конструктивное и объемно-планировочное решение, плановая и высотная привязка должны приниматься с учетом инженерно-геологических условий площадки строительства и технически возможных решений фундаментов.

Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор типа оснований (естественное или искусственное), а также конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, плитные, столбчатые; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др.) с применением в случае необходимости строительных или конструктивных мероприятий для уменьшения влияния деформаций оснований на эксплуатационную пригодность сооружений [4].

Основания рассчитывают по двум группам предельных состояний:

В расчетах оснований следует учитывать совместное действие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (например, влияние на физико-механические свойства грунтов атмосферных или подземных вод, тепловых источников различного вида, климатических воздействий и т.п.). Необходимо иметь в виду, что к изменению влажности особенно чувствительны просадочные, набухающие и засоленные грунты, к изменению температурного режима — набухающие и пучинистые грунты.

Расчет оснований по деформациям должен выполняться всегда, расчет по несущей способности выполняется 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 расположены на откосе или вблизи откоса;

в) основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами (заторфованными, торфами и сапропелями), а также илами при степени их влажности S_r ≥ 0,85 и коэффициенте консолидации с_v ≤ 107 см 2 /год;

г) основание сложено скальными грунтами.

Расчет оснований по несущей способности в случаях «а» и «б» можно не производить, если приняты конструктивные мероприятия, исключающие возможность смещения рассматриваемого фундамента.

Если проектом предусматривается возведение сооружения непосредственно после устройства фундаментов до обратной засыпки грунтом пазух котлованов, необходимо проверить несущую способность основания с учетом нагрузок, действующих в процессе строительства.

Расчет по первому предельному состоянию производится для обеспечения несущей способности (прочности и устойчивости) и ограничения развития чрезмерных пластических деформаций грунта основания с учетом возможных неблагоприятных воздействий и условий их работы в период строительства и эксплуатации сооружений; по второму предельному состоянию — для ограничения абсолютных или относительных перемещений (в том числе колебаний) конструкций и оснований такими пределами, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация сооружения.

Сооружение и его основание должны рассматриваться как единое целое. О предельном состоянии основания можно говорить лишь в том случае, если все сооружение или отдельные его элементы находятся в предельном состоянии.

При проектировании необходимо учитывать, что потеря несущей способности основания, как правило, приводит конструкции сооружения в предельное состояние первой группы. При этом предельные состояния основания и конструкций сооружения совпадают, Деформации же основания могут привести конструкции сооружения в предельное состояние как второй, так и первой группы, поэтому деформации основания лимитируются как прочностью, устойчивостью и трещиностойкостью конструкций, так и архитектурными и технологическими требованиями, предъявляемыми к сооружению или размещенному в нем оборудованию.

Расчетная схема системы «сооружение-основание» или «фундамент-основание», представляющая собой совокупность упрощающих предположений относительно геометрической схемы конструкции, свойств материалов и грунтов, характера взаимодействия конструкции с основанием (включая схематизацию возможных предельных состояний), должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения (статической схемы сооружения, характера напластований и свойств грунтов основания, особенностей возведения сооружения и т.д.). В необходимых случаях должны учитываться пространственная работа конструкций, геометрическая и физическая нелинейность, анизотропность, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, а также возможность их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

Для расчета деформаций основания чаще всего используются расчетные схемы основания в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя.

Расчетная схема основания в виде линейно-деформируемого слоя применяется в следующих случаях [4]:

– ширина (диаметр) фундамента b ≥ 10 м и модуль деформации грунтов основания Е ≥ 10 МПа;

При расчете деформаций основания с использованием расчетных схем основания в виде линейно-деформируемой среды давление под подошвой фундамента ограничивается в соответствии с указаниями п. 5.5.2.

Для расчета конструкций на сжимаемом основании могут применяться схемы, характеризуемые коэффициентом постели или коэффициентом жесткости. Под коэффициентом жесткости понимается отношение нагрузки, действующей на основание, к его расчетной осадке. Такая характеристика сжимаемости основания целесообразна при необходимости учета неоднородности грунтов основания (в том числе вызванной неравномерным замачиванием просадочных грунтов), при расчете конструкций на подрабатываемых территориях и т.д.

В расчетах конструкций пространственно жестких сооружений во взаимодействии со сжимаемым основанием, особенно при значительных ожидаемых неравномерных деформациях основания, рекомендуется учитывать нелинейность деформирования грунтов. При этом допускается использовать упрощенные методы, в которых, в частности, фундаменты сооружения рассматриваются как отдельные нелинейно-деформирующиеся опоры. Зависимость осадки основания таких опор от давления p рекомендуется принимать в виде [2]

Расчет сооружений во взаимодействии с нелинейно-деформирующимся основанием выполняется с применением ЭВМ.

Развитие деформаций грунтов основания во времени (консолидационное уплотнение, ползучесть), а также анизотропию прочностных и деформационных характеристик грунтов следует учитывать, как правило, при расчете оснований, сложенных водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами, а также илами. Для одного и того же сооружения расчетная схема может меняться в зависимости от вида предельного состояния, цели расчета, вида учитываемых воздействий, разработанности методов расчета и т.д.

Пример 5.1. Каркасно-панельное здание повышенной этажности, проектируемое на площадке, где в верхней зоне основания залегают пылеватые пески и суглинки с модулем деформации E = 15—20 МПа, подстилаемые известняками с модулем деформации E = 120 МПа, имеет фундамент в виде коробчатой железобетонной плиты (рис. 5.1, а).

При расчете несущих конструкций здания на ветровые нагрузки в качестве расчетной схемы в данном случае принимается многоэтажная рама с жесткой заделкой стоек в уровне верха фундаментной плиты. Для определения усилий в конструкции фундаментной плиты расчетная схема принимается в виде плиты конечной жесткости на линейно-деформируемом слое. При вычислении крена здания жесткость плиты можно принять бесконечно большой. При определении средней осадки основания, а также при расчете его несущей способности допускается пренебречь жесткостью плиты и считать давление на основание распределенное по линейному закону.

Для расчета конструкций протяженного крупнопанельного жилого дома, имеющего в основании напластование грунтов с ярко выраженной неравномерной сжимаемостью (рис. 5.1, б), целесообразно принять расчетную схему в виде равномерно загруженной балки конечной жесткости на основании с переменным коэффициентом жесткости.

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

Источник

Раздел 2. Фундаменты в открытых котлованах на естественном основании (фундаменты мелкого заложения)

Фундаменты мелкого заложения (ФМЗ):

1) глубина заложения ;

2) возводятся в предварительно открытых котлованах;

3) засыпка пазух грунтом с уплотнением

4) при расчёте не учитывают сопротивление грунта по боковой поверхности.

2.1. Классификация ФМЗ.

а) ленточные фундаменты под стены зданий или под ряд колонн;

б) отдельные (столбчатые) фундаменты под стойки и колонны

в) сплошные фундаменты под всем сооружением в виде железо

бетонных плит под сетку колонн или стены:

− плиты сплошного сечения;

− плиты коробчатого сечения;

г) массивные фундаменты – в виде массива под всем небольшим

в плане сооружением (дымовая труба, доменная печь, мостовая

3) по индустриальности изготовления (степени сборности)

а) сборные фундаменты;

б) монолитные фундаменты;

в) сборномонолитные фундаменты;

4) по характеру работы материала

Рис. 3. Схемы фундаментов: а) жёсткий; б) гибкий; α_y − угол наклона линии

В железобетонных фундаментах нижняя плоская или ступенчатая часть называется плитой, а верхняя – фундаментной стеной у ленточных фундаментов или подколонником у столбчатых фундаментов. Пространство в верхней части подколонников, служащее для установки колонны, называется стаканом.

2.2. Проектирование фундаментов мелкого заложения.

Заключается в выборе типа и материала фундамента, определении его размеров и армирования.

2.2.1. Исходные данные для проектирования ФМЗ:

1) проект надфундаментной части сооружения;

2) данные инженерно-геологических изысканий;

3) данные о климате и гидрологии;

4) данные о действующих нагрузках;

5) топографическая съёмка.

2.2.2. Последовательность проектирования ФМЗ:

1) определение действующих нагрузок;

2) оценка грунтов основания;

3) выбор отметки обреза фундамента;

4) выбор глубины заложения фундамента;

5) определение размеров подошвы фундамента расчётами по

предельным состояниям основания;

6) конструирование и расчёт тела фундамента.

Основными размерами фундамента являются его высота и размеры подошвы в плане.

После определения размеров подошвы производят конструирование жёсткого бетонного фундамента. В результате этого устанавливают детальные размеры фундамента по высоте (его профиль) и определяют армирование железобетонного фундамента.

2.2.3. Оценка грунтов основания

Грунты основания оцениваются по несущей способности (прочности) и сжимаемости.

Несущую способность грунтов оценивают послойно, сверху вниз, по геологическим разрезам или грунтовым колонкам, устанавливая для кровли каждого слоя расчётные сопротивления R грунтов сжатию (СНиП 2.02.01 – 83. Основания зданий и сооружений). Для слоя, залегающего непосредственно у поверхности, расчётные сопротивления первоначально определяют на глубине, соответствующей минимальной глубине заложения фундамента.

Сжимаемость грунтов предварительно оценивается путём анализа значений модулей деформации грунтов Е.

По результатам сравнительного анализа R и E определяется несущий слой и выбирается тип фундамента, а также назначается его глубина заложения.

2.2.4. Выбор отметки обреза фундамента

2.2.5. Выбор глубины заложения фундамента

На выбор глубины заложения фундаментов влияет ряд факторов:

1) учёт глубины промерзания пучинистых грунтов.

При расположении подошвы фундамента в зоне промерзания в случае пучинистых грунтов на фундамент могут действовать силы пучения, нормальные к его подошве и касательные к боковой поверхности. Наибольшую опасность для сооружения представляют нормальные силы пучения. Если эти силы превысят давление на грунт от сооружения, то в процессе промерзания грунтов могут возникнуть значительные и неравномерные подъёмы, а при оттаивании – неравномерные осадки.

Рис.4. Фундаменты в пучинистых грунтах: d_f – расчётная глубина промерза−

ния (СНиП 2.02.01 – 83*); d₁ – глубина заложения фундамента.

К пучинистым грунтам относятся:

− пески мелкие и пылеватые;

− все пылеватые глинистые грунты;

2) учёт инженерно-геологических условий строительной площадки:

d₁ – выбирается в зависимости от прочности и сжимаемости грунтов.

учётом других условий

подошву фундамента заглубляют в первый от поверхности прочный грунт.

(б) – абсолютно надёжный способ, но предполагает большой объём земляных работ и большой расход бетона.

В случае (а) необходимо выполнить проверку слабого подстилающего слоя

(2.1)

Если условие 2.1 не выполняется, то размеры подошвы фундамента нужно считать из условия на границе слабого слоя, или укреплять слабый слой.

3) учёт конструктивных особенностей:

Рис. 5. Фундамент в здании с подвалом: d₁ – глубина

заложения фундамента; d_b – высота подвальной стены;

h_n – толщина пола подвала; d_ф – высота фундаментной

Рис.6. Стаканное сопряжение колонны с фундаментом:

d₁ – глубина заложения фундамента; h_cm – глубина ста−

кана; h_дн – толщина днища стакана.

2.3. Определение размеров подошв фундаментов расчётом по второй группе предельных состояний.

Главным положением при проектировании оснований, т.е. при выборе основных размеров подошвы фундаментов, является ограничение неравномерностей осадок, приводящих к деформации конструкций сооружений.

Ограничение величины неравномерности осадок:

или ; (2.2)

где ΔS – разность между осадками соседних фундаментов, определяемая в т.ч. с учётом фактора времени; L – расстояние между осями рассматриваемых соседних фундаментов; (ΔS/L)_u – предельно допустимое значение относительной неравномерности осадки; i – крен сооружения по расчёту; i_u – предельно допустимый крен сооружения.

2.4 Расчётное сопротивление грунта.

R – расчётное сопротивление грунта основания, при котором развивающиеся зоны пластических деформаций грунта (зоны местного нарушения устойчивости) незначительно нарушают линейную зависимость между деформациями.

2.5. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов по расчётным сопротивлениям.

2.5.1. Исходная задача

А = а · в −? площадь подошвы фундамента

;

;

где − осреднённый вес грунта и материала фундамента

;

Приводим R к форме удобной для расчёта R = α₁ + α₂ · в

где

Рис.7. Расчётная схема

2.5.2. Ленточные фундаменты

P’ – погонная нагрузка

,

Рис.8. Расчётная схема

2.5.3. Прямоугольные фундаменты

Рис.9. Расчётная схема

;

Задаваясь одним из размеров определяем второй:

(в_min – из условия размещения несущей надземной конструкции)

Из полученных пар размеров подошвы выбираем оптимальный вариант из условия размещения надфундаментной части и CА = А_min.

2.6. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов.

2.6.1. Выбор положения центра подошвы фундамента при внецентренной нагрузке.

При проектировании фундаментов на нескальных грунтах положение равнодействующей нагрузок относительно центра тяжести подошвы фундамента ограничивают условием

(2.3)

− относительный эксцентриситет,

− абсолютный эксцентриситет равнодействующей нагрузок.

M – момент относительно главной центральной оси подошвы фундамента,

N – вертикальное усилие на подошву фундамента,

− радиус ядра сечения подошвы фундамента,

W – момент сопротивления подошвы фундамента,

А – площадь подошвы фундамента,

− предельный относительный эксцентриситет

Условие (2.3) можно удовлетворить выбором положения центра тяжести подошвы фундамента относительно вертикальной оси несущей конструкции.

Рис.10. Схема к определению положе−

ния центра подошвы фундамента

(2.4)

Значение смещения f при котором напряжения под подошвой фундамента будут равномерными, получим приравняв .

Также принимаем , т.к. эта величина очень мала.

При проектировании фундаментов на нескальных грунтах положение центра подошвы фундамента целесообразно определять при действии постоянных нагрузок, т.к. основную долю перемещений фундамента вызывают постоянные нагрузки

2.6.2. Три расчётных случая при определении размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов.

Рис.11. Расчётная схема

1)

2)

3)

4)

(3) и (4) условия необходимые для того, чтобы классифицировать фундамент по действию нагрузок. Имеются 3 случая загружения фундаментов в зависимости от условий (3) и (4).

1. Случай малых эксцентриситетов. Не выполняется условие (4). Расчёт фундамента ведётся, как центрально нагруженного, без учёта действия момента.

2. Случай средних эксцентриситетов. Одновременно выполняются условия (3) и (4). Размеры подошвы фундамента определяются из условия (1) или (2).

3. Случай больших эксцентриситетов. Не выполняется условие (3). Расчёт ведётся с учётом отрыва подошвы от грунта.

Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов ведётся в следующей последовательности:

1) размеры определяются как для случая средних эксцентриситетов;

оптимальный вариант выбирают по условию размещения надфундаментной части (должно быть а > в)

2) Затем проверяют условия (3) и (4). Если окажутся случаи малых или больших эксцентриситетов, то размеры уточняются по выражениям, соответствующим этим расчётным случаям.

2.6.3. Расчёт фундаментов в случае частичного отрыва его подошвы от грунта.

Рис.12. Расчётная схема

N – равнодействующая нагрузка

е – эксцентриситет равнодействующ.

В действительности нормальные давления под подошвой фундамента могут быть только сжимающими. В этом случае давления можно определить в предположении их распределения по закону треугольника, из условия, что объём эпюры давлений равен силе N, а центр её тяжести лежит на линии действия этой силы.

;

2.7. Проверка давления на подстилающий слой грунта.

Рис.13. Схема проверки давления на слабый подстилающий слой.

Если основание – слоистое напластование и R₁>>R₂, а d₁ > f(N_0I + G_fgI), сначала находят необходимый вес фундамента и грунта из выражения

Если F_0hI ≈ f(N_0I + G_fgI), то определяют размеры фундамента как внецентренно загруженного, а затем проверяют на сдвиг.

Если в основании залегает пылевато-глинистый грунт, обладающий сцеплением, но имеющий малый угол внутреннего трения, подошву фундамента иногда выполняют наклонной. При скальном основании подошву делают ступенчатой.

Рис.18. Схемы фундаментов: а.) – при связ-

ном грунте в основании; б.) – при скальном

2.10. Гибкие фундаментные балки и плиты.

Гибкие фундаменты – это те, деформации изгиба которых того же порядка, что и осадки этого же фундамента. Расчёт таких фундаментов проводится с учётом совместной работы конструкции фундамента и грунтового основания. Распределение контактных реактивных давлений считается нелинейным. Линейное распределение давлений используется лишь для предварительного определения сечений конструкций.

При расчёте фундаментных конструкций на упругом основании реальное грунтовое основание представляется в виде механической модели, т.е. вводится гипотеза относительно характера деформирования основания под нагрузкой.

1. Гипотеза коэффициента постели (Фусса – Винклера).

Эта гипотеза предполагает, что осадка какой-либо точки поверхности основания «S» прямо пропорциональна давлению «P», приложенному в той же точке и не зависит от загружения соседних точек основания, т.е. грунт не обладает распределительной способностью.

Механической моделью основания служит набор не связанных между собой пружин (рис.19, а). Деформационные свойства основания описываются коэффициентом постели, не зависящим от размеров загружаемой площадки

2. Гипотеза упругого полупространства.

Эта гипотеза предполагает, что основание работает как сплошная однородная упругая среда, ограниченная сверху плоскостью и бесконечно простирающаяся вниз и в стороны. Грунт обладает распределительной способностью – вокруг фундамента образуется воронка оседания (распределительная способность преувеличена). (рис. 19, б).

Распределение напряжений в упругой среде описывается формулами теории упругости. Деформационные свойства упругого полупространства характеризуются модулем деформации «Е» и коэффициентом Пуассона «ν».

Рис. 19. Перемещение поверхности основания под нагрузкой: а – по ги-

потезе Винклера; б – по гипотезе упругого полупространства.

В зависимости от условий работы фундаментные конструкции рассчитывают на основе одной из трёх задач теории упругости.

1. Плоская задача. Рассчитываются протяжённые фундаментные конструкции, у которых каждая полоса шириной 1 м, выделенная в поперечном направлении, работает в одинаковых условиях с любой другой аналогичной полосой (рис.20, а). К этому классу относятся ленточные фундаменты под стены зданий, фундаменты сухих доков, протяжённые плиты под сетку колонн и т.д.

2. Осесимметричная задача. Рассчитываются круглые и кольцевые фундаментные плиты. К этому классу относятся фундаментные плиты дымовых труб, водонапорных башен, газгольдеров и т.д. (рис. 20, б).

3. Пространственная задача. Рассчитываются фундаменты, работу которых даже приближённо нельзя описать условиями плоской или осесимметричной задачи. К этому классу относятся фундаменты под колонны в виде одиночных или перекрёстных лент, фундаментные балки, прямоугольные фундаментные плиты и т.д. (рис.20, в,г).

Используемые для расчёта фундаментных конструкций методы зависят от принятой механической модели основания и условий работы конструкции (плоская, осесимметричная или пространственная задача). Эти методы разделяются на две группы: 1) методы в которых на основе условий равновесия и условия полного примыкания подошвы балки или плиты к грунту составляются одна или две системы линейных уравнений с несколькими неизвестными; решение этих систем позволяет определить эпюру реактивных давлений, а затем уже и эпюры изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов (осадок). (Метод Б.Н.Жемочкина, метод М.И.Горбунова – Посадова); 2) методы, основанные на использовании готовых таблиц всех расчётных величин; такие таблицы составлены для большинства типов конструкций при различной их относительной гибкости, характере и размещении нагрузок.

В случае сложных конструкций, неоднородных грунтовых оснований достаточно точные решения могут быть получены только численными методами с использованием ЭВМ.

Источник