Проектирование фундаментов здания

В каждом из этих случаев глубина заложения определяется по своим правилам, которые будут рассмотрены ниже. Главное, чтобы глубина заложения была минимальной (т.е. сводится к минимальному объему земляных работ, упрощается водоотлив, снижается опасность расструктуривания грунтов ниже дна котлована и.т.д.).

3.1.1 Климатические факторы

1) Нормативная глубина сезонного промерзания грунта - (2, п. 2.27, формула 2). Из СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», таблица 3 определяем , как сумму абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.

  - для Нижнего Новгорода (бывший Горький);

 - для песков (2, п. 2.27).

 .

2) Расчётная глубина сезонного промерзания - (2, п. 2.28, формула 3)  

- табличный коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений kh = 1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой; для отапливаемых от 0,4-1, в зависимости от t в помещении, наличии подвала и конструкции пола.

3.1.2 Инженерно-геологические факторы

Ниже границы промерзания глина не может служить естественным основанием, так как далее идет непригодный грунт – ил с содержанием растительных остатков. Песок средней крупности может служить надежным естественным основанием. Поэтому фундамент, прорезая непригодные слои будет заглубляться в пригодный слой (песок средней крупности) на 10 см.

0,3 м – высота почвенного слоя,

3,1 м – высота слоя глины,

3,0 м – высота слоя ила с содержанием растительных остатков,

0,1 м – величина заглубления в несущий слой.

3.1.3 Конструктивные особенности

Глубина заложения фундамента назначается с учетом его высоты, которая должна быть достаточной из условия прочности. При наличии подвала минимальная глубина заложения подошвы фундамента от уровня планировки определяется по 1, п. 4.1.3, формула 7:

где  – глубина подвала ;

 – высота плитной части фундамента ;

 – толщина конструкции пола подвала .

, поэтому глубина заложения фундамента будет = 6,5 м.

Отсюда следует, что количество ФБС по 0,6 м будет равно 10 штук, т.к. , по 0,3 м - 1шт и 0,3 м – толщина 1 ФБС (подушки). Блоки выступать над землей не будут.

Чертим конструктивную схему фундаментов мелкого заложения.

Рис. 1. Конструктивная схема фундамента

;

;

Окончательная глубина заложения .

3.2 Предварительное определение размеров подошвы фундамента

Выбираем наиболее нагруженное сечение. Это сечение II – II с подвалом. На обрез фундамента в этом сечении действует вертикальная нагрузка .

3.2.1 Определение требуемой площади подошвы фундамента

Площадь фундамента  первоначально определяется по приближенной формуле (с учетом действия только вертикальных сил на обрез фундамента) из 1, п. 4. 2. 1, формула 12:

где  – расчетная нагрузка на фундамент в уровне его обреза (при расчете по деформациям) ;

– условное расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента (под подошвой фундамента находится песок средней крупности, для которого  (см. табл. 1));

  - глубина заложения фундамента = 6,5 м;

 – средний удельный вес материала фундамента и грунта, расположенного на его обрезах (.

3.2.2 Проверка выполнения условий

Для ленточного фундамента: , т.е. принимаем ФЛ 32,12 – 3200х1180х500 мм (в соответствие с 1, прил.2, табл. 1). Для ленточного фундамента расчет ведется на 1 м длины. После подбора требуемых размеров подошвы (b×l) производится подбор стандартных блоков. Выбираем ФБС с b = 600 мм и h = 600 мм, l = 1 м. Материалы фундаментов выбираются в соответствии с материалами основных конструкций сооружения. Материал фундаментов, марки растворов и бетона можно выбрать в зависимости от класса сооружения, грунтов основания и расчетной температуры зимнего воздуха.

В КП применяется ленточный сборный фундамент под стены. Такие фундаменты могут быть монолитными (бут, бутобетон, бетон) в виде жесткой конструкции ступенчатой формы, состоящими из железо-бетонных плит и стеновых бетонных блоков или панелей. Сборные - фундаментные железобетонные плиты изготавливают сплошными (табл. 1, прил. 2[1]) или ребристыми (при больших нагрузках). Для снижения материалоемкости фундамента и улучшения работы в контакте с грунтом применяют железобетонные плиты с вырезами в углах (когда ширина плит совпадает с расчетной шириной, полученной в пункте 4. 1), или устанавливают прерывистые ленточные фундаменты (на хороших грунтах), когда ширина типовой плиты больше расчетной.

Рис.2. Расчетная схема для определения нагрузок на основание

3.2.3 Проверка давлений по подошве фундамента

I приближение:

Определяем расчётное сопротивление грунта  по формуле (7) [2]:

 ;

где gс1 и gс2 - коэффициенты, условий работы, принимаемые по табл. 3 [2]; ; определяем соотношение между длиной и высотой здания - , далее интерполируем: ;

 - коэффициент, принимаемый равным: , если прочностные характеристики грунта (j и с) определены непосредственными испытаниями, и , если они приняты по таблицам 1 - 3 рекомендуемого приложения 1 [2];  ;

- коэффициенты, принимаемые по табл. 4 [2], для величин не указанных в таблице, вычисляются путем интерполирования;

kz - коэффициент, принимаемый равным: при b < 10 м - kz = 1;

b - ширина подошвы фундамента = 3,2 м;

gII - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3

 - то же, залегающих выше подошвы

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, определяется по формуле:

где  - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м: ;

 - толщина конструкции пола подвала, м;

 - расчетное сопротивление удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3;

db - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B £ 20 м и глубиной свыше 2 м принимается db=2 м, при ширине подвала B > 20 м - db=0)  db=2 м.

          Произведем проверку, для этого необходимо определить  и проверить выполнение следующих условий:

Р - среднее давление под подошвой фундамента от нагрузок для расчета оснований по деформациям;

Рmax – максимальное краевое давление под подошвой фундамента;

Рmin – минимальное краевое давление под подошвой фундамента;

R – расчетное сопротивление грунта основания, вычисляемое по формуле (7)[2] для выбранной ширины bf и глубины df заложения фундамента.

Сначала уточняем величины нагрузок на основание (считаем что, вес фундаментной балки и опирающихся на неё стен был учтён при определении нагрузок на обрез фундамента, приведённых в здании). Тогда вес фундамента с подбетонкой:

где - объём фундамента;

    - удельный вес материала фундамента (для железобетона ).

Вес грунта на обрезах фундамента:

      - вес грунта слева,

      - вес грунта справа,

где  - объёмы грунта соответственно слева и справа фундамента;

 - осреднённое расчётное, значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента.

Вычислим максимальное и минимальное краевое давление под подошвой фундамента:

где W – момент сопротивления площади подошвы фундамента относительно оси, перпендикулярной плоскости действия момента:

M – момент от активного давления грунта:

где с – расстояние от вертикальной оси до нагрузки, приложенной к подушке:

hg – высота фиктивного слоя грунта:

a – расстояние от активного давления грунта до низа подошвы:

Ea – активное давление грунта:

 – напряжение на поверхности грунта:

;

 – напряжение на высоте hs от подошвы:

;

Проверяем выполнение условий:

Условия должны удовлетворяться с требуемой экономичностью. Так при устройстве монолитного фундамента допускается недогрузка 5 - 10%.

;

Условия выполняются, но наиболее невыгодное из условий – первое, но 68,7% > 10%, следовательно, выбранный размер подошвы не подходит. Необходимо уменьшить размер подошвы и произвести вычисления с новой величиной (II приближение).

II приближение:

Пусть размеры стороны подошвы фундамента будут: ФЛ 24,12 – 2400х1180х500 мм (в соответствие с 1, прил.2, табл. 1).

Определяем расчётное сопротивление грунта  по формуле (7) [2]:

     ;

      ; ; ; ; ;

; ;

Проверяем выполнение условий:

; > 10%

Все условия выполняются и наиболее невыгодное из условий – второе, выбранный размер подошвы подходит. Принимаем b=2400 мм, h=500 мм

4. Расчет оснований фундамента по предельным состояниям

Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: по первой – по несущей способности и по второй – по деформациям.

Расчет строительных конструкций и оснований в нашей стране ведут методом предельных состояний.

Если нормальная эксплуатация сооружения невозможна при исчерпывании грунтом прочности, то достигается предельное состояние основания по несущей способности (первое предельное состояние). Если деформации основания оказываются чрезмерными для надземных конструкций (при напряжениях меньше предела прочности грунта), то достигается предельное состояние основания по деформациям (второе предельное состояние).

Целью расчета оснований по предельным состояниям является уточнение предварительно принятых размеров фундамента такими пределами, при которых гарантируется прочность, устойчивость и трещиностойкость конструкций, включая общую устойчивость сооружения, а также нормальная эксплуатация подземных конструкций при любых возможных нагрузках и воздействиях.

Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях и по не сущей способности (в случаях, указанных в п. 2.3[1]).

4.1 Расчёт основания по деформациям (II группа предельных состояний)

Расчеты оснований по деформациям производят исходя из теории линейно-деформируемой среды (теории упругости).

Целью расчета оснований по II группе предельных состояний (по деформациям) является ограничение абсолютных перемещений фундаментов и подземных конструкций такими пределами, при которых гарантировалась бы нормальная эксплуатация сооружения и не снижалась бы его долговечность.

Расчет абсолютной осадки фундамента S:

Расчет сводится к удовлетворению основного условия ,

где S – совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом;

SU – предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемого [2, прил. 4].

Расчёт осадки основания производим методом послойного суммирования, в соответствии с приложением 2[1], т.к. м и в основании нет грунтов с МПа.

Сущность метода состоит в следующем: основание разбивается на элементарные слои; в пределах сжимаемой толщи определяется осадка каждого слоя от дополнительных вертикальных напряжений; затем осадки всех элементарных слоев суммируются.

Результаты расчёта представлены в таблице 2, где:

Порядок расчета:

1) Для построения эпюр σzр и σ zg грунт на разрезе строительной площадки, расположенный ниже подошвы фундамента, разбивается на элементарные слои высотой hi , так, чтобы выполнялось условие:

толщина элементарного слоя, принимается из условия , при  

2) Определяют вертикальные напряжения от собственного веса грунта σzgi на границе i – го слоя, залегающего на глубине zi по формуле  (на уровне подошвы фундамента), т.к. песок средней крупности: средней плотности, слабожимаемый и не является водоупором, то вес части слоя песка, расположенного ниже УГВ, будет рассчитываться с учётом взвешивающего действия воды: .

;

;

.

Результаты расчета заносим в графу 4 таблицы 2.

3) Находят дополнительные вертикальные напряжения от внешней нагрузки на глубине zi под подошвой фундамента (по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента):

,

где

коэффициент определяемый по табл.1 прил. 2[1] в зависимости от : ; ……

;

;

.

Значения ξ, α, σzpi заносим в таблицу 2 в графы 6, 7 и 8 соответственно.

4) Нижняя граница сжимаемой толщи основания условно находится на глубине Z = Hс, там, где σzр = 0,2 σzg, если модуль деформации этого слоя или непосредственно залегающего под этой границей больше или равен 5 МПа.

Z = 8,1052 м, что соответствует точке пересечения.

Hс можно определить графически как точку пересечения эпюр σzр и 0,2 σzg , построенных в масштабе.

5) среднее значение вертикального напряжения от внешней нагрузки в каждом i – том слое грунта: :

6) Полная осадка основания определяется как сумма осадок отдельных слоёв в пределах сжимаемой толщи по формуле:

где β – безразмерный коэффициент, учитывающий условность расчетной схемы, принимаемый равным 0,8.

Полученные значения записываются в графе 10 таблицы 2. Таблица 2 – смотрите приложение 2.

7) Предельно допустимая осадка для данного здания определяется по прил.4[1]:

см.

Таким образом, основное условие расчета основания фундамента по деформациям удовлетворено:

Рис. 3. Расчетная схема к определению осадки методом послойного суммирования

4.2 Расчёт оснований по несущей способности (I группа предельных состояний)

Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Расчет оснований по несущей способности производится лишь при определенных условиях нагружения, а также при неблагоприятных инженерно-геологических условиях площадки строительства п. 2.3[2].

В КР такой расчет выполняется в обязательном порядке (в учебных целях) для одного из фундаментов на естественном основании.

Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Расчет оснований по несущей способности должен производиться на основное сочетание нагрузок, а при наличии особых нагрузок и воздействий — на основное и особое сочетание.

Несущая способность основания считается обеспеченной при выполнении одного из условий в зависимости от способа расчета:

а) при использовании аналитических методов расчета:

б) при расчете на сдвиг по подошве фундамента:

в) при расчете графоаналитическим методом круглоцилиндрических поверхностей:

где F – расчетная нагрузка на основание,

γc – коэффициент условий работы, зависящий от вида грунта основания,

γn – коэффициент надежности по назначению сооружения,

FS,a – сдвигающие силы,

FS,R – удерживающие силы,

k – коэффициент устойчивости, представляющий собой соотношение суммарного момента сдвигающих сил  к суммарному моменту удерживающих сил для выбранной круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Потеря устойчивости основания происходит в тех случаях, когда напряжения в грунтах превысят их сопротивления сдвигу. При этом считается, что нормальные и касательные напряжения σ и τ по всей поверхности скольжения достигают значения соответствующего предельному равновесию, вычисленному по формуле Кулона — Мора:

где  и — соответственно расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта.

Возможны различные схемы потери устойчивости (разрушения) основания:

а) Плоский сдвиг по подошве фундамента или слабому прослойку.

б) Глубокий сдвиг с образованием поверхностей скольжения, охватывающих фундамент и примыкающий к нему массив грунта.

При выборе схемы потери устойчивости (а значит и метода расчета) следует учитывать характер нагрузок и их равнодействующей (вертикаль, наклон, эксцентриситет); форму фундамента (ленточный, прямоугольный и пр.); характер подошвы фундамента (горизонтальность, наклон); наличие связей фундамента с другими элементами здания или сооружения, ограничивающих возможность потери устойчивости; характеристику основания — вид и свойства грунтов (их стабилизированное или нестабилизированное состояние), однородность геологического строения, наличие и наклон слоев и слабых прослоек, наличие откосов грунта вблизи фундамента и пр.

Основания ленточного фундамента следует проверять на устойчивость только в направлении короткой стороны (ширины) фундамента, а прямоугольного, квадратного и круглого — в направлении действия момента либо наклона равнодействующей (направления ее горизонтальной составляющей).

1) Определяем состояние несущего слоя грунта согласно п. 2.61 [2].

В нестабилизированном состоянии находятся медленно уплотняющиеся пылевато–глинистые и биогенные грунты со степенью влажности SR>0,85 и коэффициентом консолидации . Сила предельного сопротивления основания для данных грунтов должна определяться с учетом избыточного давления в паровой воде U, вычисленного методами фильтрационной консолидации грунтов.

Для водонасыщенных грунтов, имеющих показатель консистенции IL<0,5, допускается не определять коэффициент консолидации и не учитывать возможность возникновения нестабилизированного состояния грунтов (т. е. считать их стабилизированными).

Остальные виды грунтов считаем в стабилизированном состоянии.

Так как несущий слой –песок средней крупности со степенью влажности SR=0,84, следовательно, грунт находится в стабилизированном состоянии, когда напряжение σ целиком воспринимается скелетом грунта.

Страницы: 1, 2, 3