Основания и фундаменты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основания и фундаменты



1. Напряженное состояние грунта

Под действием передаваемых сооружением вертикальных или наклонных сил в массиве основания возникают нормальные и касательные напряжения, приводящие к деформации грунтов. Кроме того, напряжения возникают под действием собственного веса грунта. Деформации от этих напряжений развиваются, как правило, в процессе образования и диагенеза грунтов. Напряжения, возникающие от усилий, передаваемых сооружением, приводят к новой деформации грунтов. Наиболее часто приходится рассматривать деформации уплотнения грунтов под действием нормальных напряжений, реже рассматривают деформации сдвигов грунтов под действием касательных напряжений.

Воздействие нормальных напряжений на сплошные тела рассматривают в механике деформируемых тел (сопротивление материалов, теория упругости). Поскольку грунты относятся к дисперсным телам, при их рассмотрении кроме закономерностей деформируемости сплошных тел приходится учитывать изменение объема пор при сжатии, т. с. дополнительно рассматривать закон уплотнения (закон компрессии). Кроме того, в грунтах, как и в сплошных телах, при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

Деформируемость сплошных тел под действием касательных напряжений характеризуется модулем сдвига при упругих деформациях, границей текучести, которая характеризует начало развития пластических деформации, и коэффициентом вязкости, обусловливающим вязкое течение. В грунтах деформации сдвигов рассматривают сравнительно редко, обычно интересуются сопротивлением их сдвигу при предельном напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от определяемых в соответствии с законом сопротивления грунтов сдвигу угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов. Как деформируемость грунтов во времени, так и их сопротивление сдвигу зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах грунта. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постепенно отжимается, передавая давление на скелет грунта, поэтому деформируемость грунтов и их сопротивление сдвигу зависят от фильтрационных способностей грунта. Кроме того, фильтрация воды в грунтах интересует строителей в отношении определения притока воды в котлованы и расчета водопонижающих установок. Все это обусловливает необходимость изучения закона фильтрации поровой воды.

Для так называемых структурно неустойчивых грунтов, структура которых нарушается при увлажнении, динамических воздействиях, напряженном состоянии или оттаивании, приходится рассматривать закономерности, определяющие характер их деформируемости (закономерности разрушения структуры).

Знание указанных трех законов и закономерностей разрушения структурно неустойчивых грунтов позволяет составлять прогнозы ожидаемой осадки и предусматривать возможность потери устойчивости массивов грунтов.

грунт стененный осадка фундамент

2. Фазы напряженно-деформированного состояния грунтов. Расчетное сопротивление грунта (СНиП 2.02.01-83* формула)

Пусть на поверхности грунта, обладающего структурной прочностью, установлен жесткий штамп, загружаемый нагрузкой Р (рис.).

Рис. Схема испытания грунта штампом (а) и графики зависимости осадки штампа от нагрузки (б и в)

Под действием этой нагрузки в массиве грунта происходят перемещения, величина которых будет возрастать по мере увеличения давления на основание. Вследствие развития в грунте дополнительных напряжений от действия собственного веса грунта он будет деформироваться. Интегральным выражением этих деформаций является осадка штампа S. Эта осадка S, показанная на рис. 4.1, а, при увеличении нагрузки развивается в соответствии с зависимостью 1, приведенной на рис. 4.1,6. На кривой 1 можно выделить четыре участка: ОA, АВ, ВС и CD.

Участок ОА соответствует нагрузке, при которой возникающие в грунте под основной частью подошвы штампа напряжения не превышают структурной прочности грунта рстр. При таких напряжениях развиваются преимущественно упругие осадки и осадки, связанные с упругим последействием. Вследствие неравномерности распределения давления по подошве жесткого штампа напряжения под его отдельными частями (под краями), как правило, будут превышать рстр. Это приведет к перераспределению давления. Так как под основной частью штампа р<рстр, деформации будут возрастать примерно пропорционально изменению нагрузки. Эту фазу напряженного состояния грунтов в основании штампа называют фазой упругих деформаций, хотя одновременно с ними развиваются деформации упругого последействия и в небольших зонах пластические деформации и деформации уплотнения. Последнее обстоятельство приводит к тому, что в пределах и этой фазы нет строгой линейной зависимости между нагрузкой и осадкой.

Когда давление под всей подошвой штампа превысит структурную прочность грунта, в основании станут развиваться деформации уплотнения. Эти деформации в пределах сравнительно небольших напряжений, обычно возникающих в основании сооружения, как показывают компрессионные испытания, можно принять линейно возрастающими с увеличением давления. Если бы в пределах изменения нагрузки, соответствующей участку АВ кривой 1, деформации уплотнения развивались в пределах одного и того же объема, указанный участок кривой был бы прямолинейным. Однако это не так. При давлении, незначительно превышающем структурную прочность грунта, уплотнение развивается лишь в зоне, непосредственно примыкающей к подошве штампа. По мере увеличения нагрузки Р грунт будет уплотняться в пределах все большей зоны, так как в пределах все большего объема напряжения р будут превышать структурную прочность грунта. Одновременно в грунте под краями штампа, где происходит концентрация напряжений, будут развиваться пластические деформации (деформации сдвигов), усугубляя криволинейность участка АВ. Тем не менее при сравнительно небольших давлениях, обычно возникающих под подошвой фундаментов сооружений, кривую 1 на участке АВ можно с некоторым приближением заменить на прямую. Эту фазу напряженного состояния грунтов в основании называют фазой уплотнения и местных сдвигов.

При еще большем давлении зоны пластических деформаций, развиваясь в стороны, будут приводить к уплотнению грунтов и по сторонам от этих зон, вследствие чего радиус кривизны кривой / на участке ВС будет меньше. Этот участок соответствует значительному развитию местных сдвигов, поэтому фазу напряженного состояния грунтов в основании, соответствующую участку ВС, назовем фазой развития интенсивных деформаций сдвигов и уплотнения по сторонам от зон пластических деформаций.

Наконец, при некоторой нагрузке Р на сравнительно неглубоко заложенный фундамент произойдет резкая осадка его с выпором грунта из основания в стороны и вверх. На кривой осадок появится практически вертикальная линия CD, соответствующая фазе выпора.

Таким образом, для грунтов, обладающих структурной прочностью, можно приближенно выделить четыре фазы напряженного состояния:

1) упругих деформаций;

2) уплотнения и местных сдвигов;

3) интенсивных местных сдвигов и уплотнения по сторонам от зон пластических деформаций;

4) выпирания.

Введение понятия расчетного сопротивления грунта основания позволяет ограничивать среднее давление по подошве фундамента такими пределами, при которых возможно использовать принцип линейной деформированности.

Среднее давление под подошвой ф-та p не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, кПа (тс/м2) p ? R.

где и - коэффициенты, условий работы

- коэффициент, принимаемый равным: при b 10 м - =1, при b ? 10 м - =z0 /b+0,2 (здесь z0=8 м);

b - ширина подошвы фундамента, м;

осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м3 (тс/м3);

то же, залегающих выше подошвы;

расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа (тс/м2);

d1 глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала.

3. Контактные давления в подошве ф-та

Взаимодействие жесткого ф-та с основанием при одинаковом перемещении всех точек подошвы приводит к перераспределению напряжений по контакту подошвы с грунтом и в слое, примыкающем к подошве.

Если же нагрузка передается на грунт жестким фундаментом, то при симметричном загружении осадка поверхности грунта под фундаментом будет равномерной. Это повлечет за собой неравномерное распределение давления по подошве фундамента, обусловленное, в частности, резкой неравномерностью деформации поверхности грунта вокруг фундамента. Теоретическое решение этой задачи для абсолютно жесткого круглого штампа, выполненное Буссинеском, приводит к выражению

где рр --давление по подошве круглого фундамента на расстоянии р от его центра при р?r (здесь r -- радиус подошвы фундамента); pср -- среднее давление по подошве фундамента.

Рис Деформация поверхности грунта под действием равномерно распределенной гибкой нагрузки (а) н жесткого штампа (фундамента) с эпюрами контактных давлений (б)

В этом случае эпюра контактных давлений будет «усатой» (эпюра 1 на рис.). Теоретически контактные давления по краям (при ?=r) получаются бесконечно большими. Однако в действительности бесконечно большое давление грунты воспринимать не могут, и вследствие развития пластических деформаций контактное давление перераспределяется, уменьшаясь под краями подошвы и увеличиваясь в остальной ее части (седлообразная эпюра 2 на рис. 4.10,6).

Перераспределение давления по подошве жестких фундаментов незначительно изменяет напряжения на глубине более половины ширины ф-та, го его необходимо учитывать при расчете конструкций ф-ов, обладающих жесткостью.

4. Расчет оснований и фундаментов по предельным состояниям (СНиП 2.02.01-83* с.6-18)

Проектирование оснований и фундаментов осуществляется по двум группам предельных состояний. Первая группа предельных состояний связана с расчетами по потере несущей способности (прочности) или полной непригодности к эксплуатации. Вторая группа связана с расчетами по деформациям и непригодности к нормальной эксплуатации. При этом под нормальной эксплуатацией понимают эксплуатацию, осуществляемую без каких-либо ограничений в соответствии с предусмотренными технологическими и бытовыми условиями.

Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях, а по несущей способности - для отдельных случаев, например, если на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций).

Расчет тела фундаментов и их рабочей арматуры ведется по прочности (несущей способности) Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нагрузок. Основное сочетание нагрузок включает в себя: постоянные, длительные и кратковременные нагрузки. К постоянным нагрузкам относят вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов.

Так как расчет оснований фундаментов ведется по деформациям, а самого фундамента - по прочности, то нагрузки подбирают к расчету для предельных состояний первой и второй групп.

Расчет по несущей способности производится в следующих случаях:

1. если на грунтовое основание передаются значительные нагрузки, в т.ч. и сейсмические;

2. когда сооружение находится на откосе или вблизи него;

3. основание сложено водонасыщенными, пылевато-глинистыми, медленноуплотняющимися и биогенными грунтами;

4. если основание скальное.

Расчет по деформациям. Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.).

Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия

где s - совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом;

- предельное значение совместной деформации основания и сооружения.



5. Основные физико-механические хар-ки грунтов и область их использования в расчетах. Влияние физико-механических хар-к на расчетное сопротивление грунта

Керн - образец грунта цилиндрической формы ниже УГВ (уровня грунтовых вод).

В процессе инженерно-геологических изысканий из шурфов и скважин отбирают монолиты -- большие образцы грунта ненарушенной структуры. Из монолитов в лабораторных условиях берут образцы и экспериментально определяют три основные характеристики:

1. плотность (объемную массу) грунта естественной (ненарушенной) структуры ?, равную отношению массы образца грунта к его объему;

2. плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ?s, равную отношению массы твердых частиц к их объему;

3. природную весовую влажность грунта W, равную отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.

Выделим из грунта образец объемом V=1см3 и мысленно разделим его на две части: занятую твердыми частицами объемом V1 и занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V2 (рис. 1.4). Пространство, занятое порами, можно разделить в общем случае на две части, одна из которых занята водой, а другая -- воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g1, а масса воды g2. Масса воздуха не оказывает влияния на результаты расчетов. В соответствии с определениями:



Плотность грунта чаще всего определяют взвешиванием по образцу, взятому в режущее кольцо, иногда парафинированием или другим методом. Плотность твердых частиц находят с помощью пикнометpa. Влажность грунта устанавливают взвешиванием образца естественной влажности перед высушиванием и после высушивания до постоянной массы при температуре 105° С.

Вычисляемые характеристики грунта. Зная величины р, ps и W, можно вычислить ряд характеристик грунта. Введем понятие плотности (объемной массы) скелета грунта рск, разной отношению массы твердых частиц грунта к объему образца ненарушенной структуры до высушивания. Для нахождения величины ?ск рассмотрим образец объемом 1см3. При этом влажность грунта можно выразить через ? и ?ск , а именно

. Отсюда .

Зная плотность грунта, обычно выражаемую в т/м3, легко найти удельный вес грунта в кН/м3 по формуле

По аналогии удельный вес скелета грунта уск и твердых частиц грунта ys найдем из выражений:

Отношение объема пор в образце к объему самого образца обозначают n и называют пористостью грунта. Отношение же объема твердых частиц к объему образца обозначают m. В таком случае:



Поскольку объем рассматриваемого образца принят равным 1 см3, величины п и т будут являться объемами соответственно пор и твердых частиц в единице объема грунта.

Тогда величины т и п можно получить из выражений

.

В расчетах часто применяется коэффициент пористости грунта е-отношение объема пор к объему твердых частиц.

.

Коэффициент влагонасыщения

.

На расчетное сопротивление несвязных грунтов основания влияют крупность, плотность и коэффициент влагонасыщения. Чем крупнее частицы, тем > R0; чем < влаги, тем > R0.

6. Методы определения прочности и деформируемости грунтов

Определение модуля деформации грунта. В качестве деформационной характеристики грунта часто используют модуль обшей деформации Е0, характеризующий остаточные и упругие деформации. Модуль деформации грунта определяют различными методами, в том числе по компрессионной кривой, испытанием грунта статической нагрузкой, с помощью прессиометров, а также по простейшим физическим характеристикам грунта.

Определение модуля деформации грунта с помощью компрессионной кривой. Для определения модуля деформации грунта используют обычное выражение для вертикальной относительной деформации при объемном сжатии

Значение модуля деформации грунта, найденное с помощью компрессионной кривой, нередко отличается от действительного. Это обусловлено следующими причинами. Для проведения компрессионных испытаний необходимо извлечь образец грунта из скважины или турфа. Это неизбежно сопровождается уменьшением напряжений в скелете образца грунта (снятие природного давления) и снижением до нуля давления в поровой воде (при отборе образца грунта ниже уровня грунтовых вод). Но в большинстве случаев при извлечении образцов из скважин ниже уровня грунтовых вод происходит частичное или полное разрушение структурных связей, действовавших в грунте.Таким образом, нередко компрессионные испытания проводятся с образцами частично нарушенной, а не природной структуры. Это сказывается на результатах компрессионных испытаний и может приводить к получению заниженных значений модуля деформации грунта. По этой причине для получения характеристики деформируемости грунта (модуля деформации грунта) строители давно применяют испытания грунтов статической нагрузкой.



Рис.Испытание грунта статической нагрузкой в шурфе: а-схема установки; б-зависимость осадки от интенсивности нагрузки

Определение модуля деформации грунта по данным его испытания статической нагрузкой. На дно 1 шурфа или скважины устанавливают жесткий штамп 4, тщательно притирая его к основанию. К платформе 3 прикладывают нагрузку 2 со ступенчато возрастающей интенсивностью. В результате такого эксперимента получают график зависимости осадки штампа от среднего давления по его подошве (рис. 2.5,6). Эта зависимость в пределах небольших давлений, как правило, сравнительно близка к прямой, что еще раз подтверждает возможность принятия линейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах.

Результаты испытаний грунтов статической нагрузкой с помощью жестких штампов позволяют определить модуль деформации грунтов, используя теорию упругости, по формуле где w -- коэффициент, принимаемый для круглых жестких штампов равным 0,8; d--- диаметр штампа; ?р -- приращение среднего давления по подошве штампа в пределах интересующих нас изменении давления на участке приблизительно линейной зависимости между S и р; ?S -- приращение осадки штампа при изменении давления на ?р.



Определение нормативных и расчетных значений прочностных характеристик грунта и его плотности.

Прочностные характеристики грунта -- угол внутреннего трения ? и удельное сцепление с -- определяют не непосредственно из опытов, а после построения графиков. Поскольку построение этих графиков по точкам вносит в расчеты элемент субъективности, результаты серии опытов на сдвиг аппроксимируют прямой, используя для обработки экспериментальных данных метод наименьших квадратов. Тогда нормативные значения параметров прямой сн и tg ? H определяют по формулам:

где n--число экспериментов по определению сопротивления грунта сдвигу ?i при давлении pi; ?-- общий знаменатель этих выражений, определяемый по формуле

Вычисляют среднее квадратичное отклонение для найденных хар-к. Чем > опытов будет проведено, тем искомое расчетное значение будет в большей степени приближаться к нормативному значению.

7. Конструирование ф-ов мелкого заложения

Обычно в фундаменте имеются плитная часть, состоящая из 1- 3 ступеней, и подколенник, в котором формируется стакан для заделки колонны, Все размеры фундамента следует принимать кратными 300 мм из условия их изготовления с применением инвентарной щитовой опалубки.

Вначале определяют размеры подколенника в плане, используя следующие конструктивные требования. Толщина стенки армированного стакана обычно должна составлять в плоскости действия изгибающего момента dg>=0.2Lс и быть не менее 150мм. Толщина стенки из плоскости изгибающего момента также должна быть не менее 150 мм. Зазоры между стенками стакана и колон-нон принимаются 75 мм по верху и 50 мм по низу стакана с каждой стороны колонны.

С учетом размеров колонны, толщины стенок стакана и принятых зазоров стороны подколенника в планер luc и Ьuc должны составлять, м:

Расчетные размеры luc и buc округляют до размеров, кратных 300 мм, и в дальнейшем проверяют расчетом на косое внецентренное сжатие сплошного (в нижней части подколонника) и коробчатого (в стаканной части подколенника) сечений. В результате этих проверок назначается также армирование подколонника. Затем приступают к конструированию плитной части фундамента, назначают количество ступеней, максимальные вылеты нижней и остальных ступеней.

Краевое давление p1 max, вычисляется от расчетных нагрузок (первая группа предельных состояний), приложенных на уровне верхнего обреза фундамента и в подошие фундамента без учета веса фундамента и грунта на его уступах.

При расчете внецентремхо нагруженного фундамента в плоскости действия момента



при расчете к перпендикулярной плоскости, а также для центрально нагруженного фундамента

Здесь n - число сочетаний нагрузок для расчетов по первой группе предельных состояний.

Выбирается наибольшее p1 max которое и используется в дальнейших расчетах .

Размеры ступеней назначают с учетом модульности по высоте н ё плане кратными 300 мм. При конструировании железобетонных фундамент необходимо учитывать, что вынос ступеней, особенно нижней, определи количество арматуры. В этой связи назначенные размеры ступеней могут быть скорректированы по технико-экономическим показателям.

8. Расчет ленточных ф-ов для здания с подвалом

Производится определение нагрузок, действующих в стадии эксплуатации здания, от надземных конструкций на один погонный метр стены в уровне планировки. Основное сочетание нагрузок в уровне планировки для промышленных и гражданских многоэтажных зданий с несущими стенами включает в себя: постоянные нагрузки - вес покрытия, междуэтажных перекрытий, стены; временные - вес перегородок, снеговую нагрузку, нагрузку на перекрытия.

Вес стены определяется умножением объема одного погонного метра стены на удельный вес материала кладки. Для определения остальных нагрузок выделяют грузовую площадь А покрьтия и перекрытий, в пределах которой нагрузки передаются на рассчитываемую стену.

Нагрузка от собственного веса перекрышй g1 и покрытия g2 принимаются в зависимости от их конструкции, материалов и толщин по чертежам надземных конструкций или паспортным данным.

Назначается глубина заложения фундамента d исходя из:

а) конструктивных соображений - задашгьгх отмеюк поверхности планировки, низа плиты перекрытия над подвалом и пола подвала, высот фундаментной плиты и стены полвала из целого числа блоков. Отметка пола подвала определяется назначением подвального помещения и приводится в задании на проектирование фундаментов. Отметка пола первого этажа проектируемого здания принимается, как правило 0,000.

б) условия недопущения выпора фунта из-под подошвы фундамента: ленточный фундамент со стороны подвала рекомендуется заглублять не менее чем на 0,5 м ниже пола подвала;

в) инженерно-геологических и гидрогеологических условий, т.е. глубины залегания несущего слоя и уровня подземных вод;

г) условия недопущения возникновения сил морозного пучения грунтов под подошвой ф-та.

Определяется расчетное сопротивление грунтов основания R0, используемое для предварительного вычисления размеров фундамента. Определяется предварительное значение ширины подошвы ленточного фундамента bo из условия равенства среднего давления по подошве р расчетному сопротивлению грунта R0. Определяется уточненное с учетом принятой ширины фундамента, глубины его заложения и физико-механических характеристик грунта расчетное сопротивление R. Определяют вертикальные нагрузки в уровне подошвы фундамента.

Выбирается расчетная схема. Если отношение ширины стены подвала Ь к ширине подошвы фундамента Ь составляет не менее 0,7( Ь'/Ь >=7), то расчетная схема стены подвала принимается в виде однопролетной вертикальной балки, шарнирно опертой как в верхней части (в уровне низа перекрытия над подвалом), так и в нижней (в уровне подошвы фундамента

Допускается перенапряжение основания не более 5 %, а недонапряжение - не более 10%.

Если отношение Ь/ / Ь. < 0,7, то расчетная схема стены подвала должна приниматься в виде балки, верхний конец которой в уровне низа перекрытия над подвалом шарнирно оперт, а нижний конец в уровне подошвы фундамента упруго защемлен. В запас надежности может быть использован прием расчета стены подвала как балки, жестко защемленной нижним концом и шарнирно опертой другим. Определение интенсивности активного бокового давления грунта на стену подвала в запас надежности допускается производить при следующих допущениях;

- поверхность грунта горизонтальна;

- толщина стены подвала одинакова по высоте;

- трение и сцепление грунта со стеной отсутствуют;

- грунт обратной засыпки не обладает сцеплением (с=0);

- грунт обратной засыпки находится в предельном состоянии и поверхности скольжения являются плоскими.

Производится расчет устойчивости стен подвала против сдвига и проверка прочности грунтового основания.

Если засыпка пазух между стенками котлована и стеной подвала осуществляется до устройства надподвального перекрытия, производятся проверки фундамента на устойчивость положения конструкции на сдвиг и опрокидывание Эти проверки относятся к расчетам по первой группе Предельных состояний и нагрузки используются с коэффициента ми надежности по нагрузке уf, большими единицы при определении усилий, стремящихся сдвинуть (опрокинуть) фундамент, и меньшими единицы - при определении усилий, стремящихся удержать его.

Фундамент рассматривается как подпорная стенка; на которую действуют расчетные нагрузки: вертикальные - вес стены подвала, фундаментной плиты, грунта н временной нагрузки над левой частью фундамента горизонтальные -боковое давление от грунта обратной засыпки и временной нагрузки. Если гидроизоляция между фундаментной плитой и стеной подвала обеспечивает достаточную связь между ними (например, при цементно-песчаной гидроизоляции), то рассматривается устойчивость положения фундамента в целом -от верха стены полвала до подошвы фундамента. При устройстве между стеной подвала и фундаментной плитой гидроизоляции из рулонных материалов необходимо дополнительно оценить устойчивость положения стены подвала относительно фундаментной плиты.

9. Методы определения несущей способности свай (СНиП 2.02.03-85)

Прочность свай по материалу. Сваи, погружаемые в грунт в готовом виде, могут быть разрушены при транспортировании, складировании, подъеме на копер, забивке и при загрузке после погружения. Чтобы сваи не разрушались во время транспортирования, складирования и подъема на копер, их армируют продольной арматурой и выпускают из их тела, как сказано ранее, монтажные петли.

- коэф продольного изгиба

c -- коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый ?c = 0,85 < 0,3х0,3,

m -- коэффициент условий работы бетона

Rb _ расчетное сопротивление бетона сжатию

A -- площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто;

а -- коэффициент условий работы =1

Rs _ расчетное сопротивление сжатию арматуры

Aа -- площадь арматуры

Определение несущей способности сваи по основанию.

где c -- коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый c = 1;

R _ расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа (тс/м2), принимаемое по табл.1;

u -- наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi -- расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа (тс/м2), принимаемое по табл.2;

hi -- толщина 1-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

cR cf -- коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта.

Для определения несущей способности свай по результатам полевых исследований для каждого здания или сооружения должно быть проведено не менее:

статических испытании сваи и свай-штампов .......................... 2

динамических испытании свай .................................................. 6

испытаний грунтов эталонной сваей......................................... 6

испытаний свай-зондов .............................................................. 6

испытаний статическим зондированием................................... 6

Несущую способность Fd кН (тc), свай по результатам их испытаний вдавливающей, выдергивающей и горизонтальной статическими нагрузками и по результатам их динамических испытаний следует определять по формуле



где c,-- коэффициент условий работы; в случае вдавливающих или горизонтальных нагрузок c = 1; в случае выдергивающих нагрузок принимается по указаниям п. 4.5;

Fu,p -- нормативное значение предельного сопротивления сваи, кН (тc), определяемое в соответствии с указаниями пп. 5.4 -- 5.7;

g,-- коэффициент надежности по грунту, принимаемый по указаниям п. 5.4.

10. Методы определения осадки основания фундаментов

Расчет деформаций основания следует выполнять, применяя расчетную схему основания в виде:

1. линейно - деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи (метод послойного суммирования);

2. линейно - деформируемого слоя (метод слоя конечной толщины), если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания , определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1 100 МПа (1000 кгс/см2);

б) ширина (диаметр) фундамента b 10 м и модуль деформации грунтов основания E 10 МПа (100 кгс/см2).

Метод послойного суммирования позволяет определить осадку не только под центром подошвы ф-та, но и любой точки в пределах или вне контура ф-та. Последовательность определения осадки:

1 вычерчивают схематический разрез ф-та по меньшей стороне b и разбивают грунтовую толщу на однородные по физ-мех хар-кам слои, толщиной hi ? 0,4b (6-8 слоев).

2 определяют вертикальное напряжение от собственного веса грунта в уровне подошвы ф-та

где - осредненной расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м3;

d - глубина заложения фундамента от уровня планировки при срезке грунта, м.

3. Находят вертикальное напряжение от собственного веса грунта

Строят эпюру .

4. Определяют дополнительные напряжения на различных глубинах z от подошвы ф-та.

5. Определяют нижнюю границу сжимаемой толщи

6. Определяем осадку основания по формуле

, где s - совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом;

- предельное значение совместной деформации основания и сооружения.

Метод слоя конечной толщины. В его основе лежат предпосылки:

1. грунт в пределах слоя конечной толщины рассматривается как лин-деф тело

2. деформации в слое грунта развиваются под действием всех компонентов напряжения

3. осадка ф-та равна осадке в слое грунта, на поверхности которого действует равномерно распределенная нагрузка.

Если ширина ф-та b?10м при определении осадки используют полное среднее давление p. Если b<10м, при расчете используют p0 = p - ?zg.

Если основание сложено глинистыми и песчаными грунтами, значения толщины лин-деф слоя Н определяется

Н = Нs + hsl/3

Нs - толщина слоя, вычисленная из предположения, что основание сложено только песчаными грунтами.

hsl - суммарная толщина глинистых грунтов.

Осадка

где p- среднее давление; b - ширина ф-та;

Kc, Km - коэффициенты по СНиП 2.02.01-83* прил.2

n - число слоев .



11. Выбор глубины заложения фундамента (СНиП 2.02.01-83* стр.6)

Глубина заложения фундамента d-расстояние от поверхности планировки или пола подвала до подошвы фундамента. Подошва фундамента должна опираться на достаточно прочные слои грунта, обеспечивающие восприятие нагрузки от фундамента и долговременную эксплуатационную надежность сооружения. Не рекомендуется опирать фундаменты на свеженасыпные, илистые и заторфованные грунты, рыхлые пески и грунты, содержащие растительные остатки. Рекомендуется: предусматривать заглубление фундаментов в несущий слой грунта на 10 - 15 см; избегать наличия под подошвой фундамента слоя грунта малой толщины, если его строительные свойства значительно ниже свойств подстилающего слоя; закладывать фундаменты выше уровня подземных вод для исключения необходимости применении но до понижения при производстве работ.

Глубина заложения фундаментов должна приниматься с учетом:

1. назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения (наличием и размерами подвалов, каналов, тоннелей, фундаментов под оборудование, глубиной прокладки коммуникаций, глубиной заложения фундаментов примыкающих сооружений и т.д.), нагрузок и воздействий на его фундаменты;

2. глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубины прокладки инженерных коммуникаций;

3. существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;

4. инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия слоев, склонных к скольжению, карманов выветривания, карстовых полостей и пр.);

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

6. возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов трубопроводов и т.п.);

7. глубины сезонного промерзания грунтов, которые при промораживании увеличиваются в объеме, а после оттаивания дают значительные осадки. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов.

Фундаменты сооружения или его отсека должны закладываться на одном уровне.

12 Определение размеров подошвы столбчатого фундамента

Размеры подошвы фундамента определяются исходя из расчетов основания, по деформациям:

- по форме эпюры давлений в подошве фундамента и величине отрыва;

- по величинам давлений под подошвой:

- по величине давления на кровлю слабого слоя;

- по величинам осадки и крепа.

Кроме того, размеры подошвы фундамента проверяются, в необходимых случаях, по несушек способности основания:

- по прочности скального основания:

- по прочности и устойчивости нескалыгого основания;

- на сдвиг по подошве;

- на сдвиг по слабому слою,

В первом приближении площадь подошвы фундамента определяется по конструктивным соображениям или вычисляется по формуле:

где N|| - сумма всех вертикальных нагрузок в обрезе фундамента для расчетов по II группе предельных состояний, кН;

Ro - табличное значение расчетного сопротивления грунта, кПа:

?mt - среднее значение удельного веса материала фундамента и грунта на его уступах. принимаемое в инженерных расчетах равным 20 кН/м ;

d - принятая глубина заложения фундамента.

При центрально нагруженном фундаменте его подошву проектируют, как правило, квадратом и сторону подошвы вычисляют как корень квадратный из площади А. При внецентренно нагруженном фундаменте его подошву развивают в плоскости действия наибольшего момента, т.е. проектируют прямоугольный в плане фундамент. Отношение ширины подошвы фундамента b к его длине I принимают в пределах m=b/l = 0,6...0,85.

Задаваясь соотношением сторон, по вычисленному значению площади определяют длину и ширину подошвы фундамента, округляя до ближайшего размера, кратного 300 мм.

Первой проверкой найденных размеров подошвы является установление формы эпюры давлений в подошве фундамента (контактных давлений) и сравнение ее с допустимой. Форма эпюры контактных давлений обусловлена значениями эксцентриситетов, и проверка сводится к выполнению условия

?i<=?u (i=1,2.....п)

где ?i - расчетные значения относительных эксцентриситетов для каждого i -го сочетания нагрузок для расчетов по второй группе предельных состояний;

n - число сочетаний нагрузок для расчетов по второй группе при действии моментов в обрезе фундамента;

?u - предельный эксцентриситет.

При учете моментов от временных нагрузок (снеговой, крановой, ветровой и т д.) подколенник и подошву фундамента стремятся проектировать симметричными относительно колонны, начало их координат полагают находящимися на одной оси. В этом случае центры тяжести колонны, подколенника и подошвы в плане совпадают.

Среднее давление под подошвой p11i не должно превышать расчетного сопротивления грунта R, краевое давление при действии изгибающего момента вдоль каждой оси фундамента рmах не должно превышать 1.2R. При действии момента только относительно одной оси удовлетворяются условия:

P11i<=R P11i max <=1,2R

Размеры подошвы фундамента считаются подобранными удачно, если хотя бы в одном из условий отклонения составляют: перенапряжения не более 5%, недонапряжения - 10%, а другие выполняются.

13. Особенности проектирования ф-ов мелкого заложения на просадочных грунтах

Величину осадки фундамента при сохранении природной влажности лессовой толщи определяют аналогично величине осадки фундамента на непросадочных грунтах. Просадку же лессовой толщи находят по выражению

Для широких фундаментов (b>=12 м) и для любых фундаментов на глубине более 1,5b (b -- ширина фундамента) коэффициент т принимают равным 1; для ленточных фундаментов шириной до 3 м и отдельных прямоугольных фундаментов шириной до 5 м включительно на глубине менее 1,5 b коэффициент m определяют по формуле

При проектировании фундаментов прежде всего надо знать тип толщи лессовых грунтов по просадочности и глубину, в пределах которой грунты обладают просадочностью при давлениях, возникающих в основании. Обычно просадку определяют при давлении 0,3--0,25 МПа. Затем, если условия не выполнены, выбирают способ устранения просадочности лессовой толщи.

При I типе толщи лессовых грунтов по просадочности и мощности ее не более 5--6 м для устранения просадочности наиболее широко применяют следующие способы:

уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками

устройство уплотненной подушки из местного грунта

уплотнение грунтов предварительным замачиванием

забивку ж/б свай с прорезкой всей просадочной толщи

Кроме расчета осадки основания ф-та, необходимо рассчитать просадку от собственного веса грунта. При замачивании лессовых грунтов наблюдается тенденция к росту относительной просадочности с увеличением обжимающего вертикального давления. При значительной мощности лессовой толщи напряжения от собственного веса грунта могут превзойти начальное просадочное давление, что приводит к проявлению просадочных деформаций в нижних слоях грунта. В случае, замачивания лессового грунта из поверхностных источников происходят вертикальные и горизонтальные деформации, имеющие сложный характер. Важнейшими из них являются вертикальные перемещения, называемые просадками. Кроме того наблюдаются наклоны и кривизна поверхности на границе проявления просадочных деформаций. Отмечаются горизонтальные перемещения в массиве грунта и на дневной поверхности.

Следует отметить, что лессовые грунты обладают фильтрационной анизотропностью. Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении в несколько раз выше, чем по горизонтали. Обычно принято считать, что угол растекания воды в лессовидных супесях и лессах составляет 35 °, суглинках - 50 °.

Разбивают основание в пределах всей просадочной толщи на однородные по физико-механическим свойствам слои, толщиною не более 2 м.

А затем находим совместную просадку грунтов основания и фундамента.

Просадочная деформация может развиваться под воздействием напряжений от внешней нагрузки Ssl,р, так и от собственного веса грунта Ssl,g.

14. Проектирование свайн. фундаментов на просадочных грунтах (СНиП 2.02.03-85 с.22)

Проектирование свайных фундаментов осуществляется с учетом типа грунтовых условий по просадочности. Для исследования грунтов должны быть выполнены бурение скважин и проходка шурфов. На застраиваемой территории должен быть тщательно изучен гидрогеологический режим подземных вод и дан прогноз возможного его изменения при эксплуатации проектируемых и существующих зданий и сооружений.

При проектировании свайных фундаментов в грунтовых условиях II типа по просадочности с возможной просадкой грунтов от собственного веса свыше 30 см следует, как правило, предусматривать мероприятия по переводу грунтовых условий II типа в I.

Для зданий I и II класса сваи должны прорезать просадочную толщу и опираться нижним концом на непросадочные грунты (скальные грунты, песчаные плотные и средней плотности, пылевато-глинистые грунты). Заглубление свай в указанные грунты должно назначаться по расчету как наибольшее из условия, что осадка сваи не превысит предельную осадку su, и из условия обеспечения требуемой несущей способности сваи.

В случае, если по результатам инженерных изысканий установлено, что погружение забивных свай в просадочные грунты может быть затруднено, в проекте должно быть предусмотрено устройство лидерных скважин, диаметр которых в грунтовых условиях I типа следует назначать менее размера сечения сваи (до 50 мм), а в грунтовых условиях II типа -- равным ему или менее (до 50 мм). В последнем случае лидерные скважины не должны выходить за пределы проседающей толщи.

Если возможно замачивание грунта, то при полном водонасыщении грунта, расчетные табличные характеристики следует принимать при показателе текучести, определяемом по формуле

где e -- коэффициент пористости грунта природной плотности;

w -- удельный вес воды; ?w = 10 кН/м3 (1 тс/м3);

s -- удельный вес твердых частиц, кН/м3 (тс/мЗ);

Wp, WL -- влажность грунта на границе раскатывания и на границе текучести в долях единицы;

В грунтовых условиях I типа помимо забивных свай следует также применять набивные бетонные и железобетонные сваи, устраиваемые в пробуренных скважинах с забоем, уплотненным втрамбовыванием щебня на глубину не менее 3d (где d --диаметр скважины).

Сваи по несущей способности грунтов основания в грунтовых условиях II типа следует рассчитывать исходя из условия

где N _ расчетная нагрузка, кН (тc), на одну сваю, определяемая при

проектировании свайных фундаментов зданий и сооружений;

Fd _ несущая способность, кН (тc);

k -- коэффициент надежности;

c -- коэффициент условий работы, значение которого зависит от возможного значения просадки грунта ssl: при ssl = 5 см ?c = 0, при ssl ? 2 su c = 0,8, для промежуточных значений su ?c определяется интерполяцией;

Рn -- отрицательная сила трения.

В грунтовых условиях II типа при определении нагрузок, действующих на свайный фундамент, следует учитывать отрицательные силы трения, которые могут появляться на расположенных выше подошвы свайного ростверка боковых поверхностях заглубленных в грунт частей здания или сооружения.

Для особо ответственных сооружений и при массовой застройке в районах с неизученными грунтовыми условиями следует производить испытания с длительным замачиванием основания до полного проявления просадок по программе, разработанной для конкретных условий.

Определение неравномерности осадок свайных фундаментов в просадочных грунтах для расчета конструкций зданий и сооружений должно производиться с учетом прогнозируемых изменений гидрогеологических условий площади застройки и возможного наиболее неблагоприятного вида и расположения источника замачивания по отношению к рассчитываемому фундаменту или сооружению в целом.

В грунтовых условиях II типа в случае, когда возможна просадка грунта от собственного веса, применение свайных фундаментов не исключает необходимости выполнения водозащитных мероприятий. При этом должна быть также предусмотрена разрезка зданий осадочными швами на блоки простой конфигурации. В производственных зданиях промышленных предприятий, оборудованных кранами, кроме того, должны быть предусмотрены конструктивные мероприятия, обеспечивающие возможность рихтовки подкрановых путей на удвоенное значение расчетной осадки свайных фундаментов, но не менее половины просадки грунта от собственного веса.

15 Проектирование свайных ф-ов под колонну

Необходимо:

1. выбрать глубину заложения подошвы ростверка

2. выбрать тип и вид свай

3. выбрать размеры свай

4. найти несущую способность свай

5. определить необходимое число свай в ф-те

6. разместить сваи в плане и сконструировать ростверк;

7. произвести проверку нагрузки, приходящейся на каждую сваю;

8. определить осадку свайного фундамента.

При проработке этих вопросов стремятся достигнуть наиболее экономичного и рационального решения. С этой целью, как правило, рассматривают несколько вариантов.

Глубину заложения подошвы ростверка выбирают, сообразуясь с особенностями сооружения (наличие подвальных этажей, приямков и т. п.), а при пучинистых грунтах также с глубиной промерзания. Иногда в районах глубокого сезонного промерзания ростверки закладывают в пределах глубины возможного промерзания даже в пучинистых грунтах. В этом случае под ними делают воздушный зазор размером, несколько большим величины ожидаемого пучения грунта под ростверком. Тем самым исключается воздействие нормальных сил морозного пучения грунта на подошву ростверка. Однако надо учитывать, что промерзание пучинистого грунта в межсвайном пространстве может привести к поднятию свай. По этой причине сваи должны быть загружены нагрузкой не менее касательных сил пучения еще до промерзания.

Меньшая глубина заложения подошвы ростверка обычно обеспечивает более экономичное решение. В ряде случаев представляется возможным вообще не заглублять ростверк в грунт, что позволяет свести к минимуму объем земляных работ. Такое решение приводит к высокому или повышенному свайному ростверку.

Тип и вид свай выбирают, исходя из характера напластования грунтов, оборудования и опыта устройства свайных фундаментов, имеющихся у строительной организации. Во многих случаях наиболее целесообразны забивные сваи. Однако при необходимости применения свай большой несущей способности целесообразнее набивные сваи с уширенным нижним концом.

Размеры свай также выбирают с учетом характера напластования грунтов. Длина свай обусловливается расположением слоя относительно плотного грунта, па который можно передать сваями большую часть нагрузки. Под этим слоем не должно быть слабых грунтов, способных привести к неравномерным осадкам сооружения.

Поперечное сечение свай принимают в зависимости от их длины, так как очень большая гибкость свай может вызвать искривление их ствола по мере погружения его в грунт. В то же время стремятся принимать наименьшее сечение свай, когда их несущая способность обусловливается удельным трением грунта по боковой поверхности сваи. При одном и том же расходе бетона сваи меньшего сечения имеют большую относительную площадь на 1 м3 бетона и, следовательно, большее относительное сопротивление сдвигу их боковой поверхности по грунту. Однако это ведет к увеличению числа свай в фундаменте.

Число свай в фундаменте определяют, исходя из допущения, что ростверк осуществляет равномерное распределение нагрузки на свайный куст или свайный ряд под стену. Расчет ведут по первой группе предельных состоянии.

Как отмечалось ранее, минимальное расстояние а между осями цилиндрических и призматических свай принимают равным 3d (d - размер поперечного сечения сваи). Расстояние от края ростверка до оси крайнего ряда свай ак зависит от точности погружения свай в грунт или их изготовления. Для забивных свай это расстояние чаще всего принимают равным размеру поперечного сечения сваи.

Ростверк (обычно железобетонный) рассчитывают на продавливание колонной или сваей и на изгиб при значительном его развитии в плане в соответствии с расчетом фундаментов по нормам на железобетонные конструкции.

Подготовку под ростверк делают только при наличии слабых грунтов непосредственно под его подошвой, чтобы не перемещать бетонную смесь с грунтом при бетонировании.

Сваи, работающие только на сжатие, заделывают в ростверке обычно на глубину 5--10 см. Сборные ростверки при возможности контроля допускается устанавливать непосредственно на головы свай на растворе. Сваи, работающие на выдергивание или передающие горизонтальную составляющую на грунт, следует прочно заделывать в ростверке. С этой целью разбивают бетой головы свай и обнаженную арматуру заделывают в ростверке.

16. Определение осадки куста свай (СНиП 2.02.03-85)

Границы условного фундамента (см. чертеж) определяются следующим образом:

снизу -- плоскостью АБ, проходящей через нижние концы свай:

с боков -- вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии htg(II,mt/4) (см. чертеж, а), но не более 2d в случаях, когда под нижними концами свай залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL > 0,6 (d--диаметр или сторона поперечного сечения сваи), а при наличии наклонных свай -- проходящими через нижние концы этих свай (см. чертеж, б), сверху -- поверхностью планировки грунта ВГ, здесь ?II,mt -- осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта, определяемое по формуле

II,mt =

где II,i -- расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных пройденных сваями слоев грунта толщиной hi;

h -- глубина погружения свай в грунт.

Определение границ условного фундамента при расчете осадок свайных фундаментов

В собственный вес условного фундамента при определении его осадки включаются вес свай и ростверка, а также вес грунта в объеме условного фундамента.

Полученные по расчету значения деформаций (осадок) свайного фундамента и его основания не должны превышать предельных значений.

Если при строительстве предусматриваются планировка территории подсыпкой (намывом) высотой более 2 м и другая постоянная (долговременная) загрузка территории, эквивалентная подсыпке, а в пределах глубины погружения свай залегают слои торфа или ила толщиной более 30 см, то значение осадки свайного фундамента из висячих свай следует определять с учетом уменьшения габаритов условного фундамента, который в этом случае как при вертикальных, так и при наклонных сваях принимается ограниченным с боков вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии hmttg(?II,mt/4), где hmt -- расстояние от нижнего конца сваи до подошвы слоя торфа или ила толщиной более 30 см.

Размеры подошвы условного фундамента:

Вес условного фундамента складывается из веса грунта, ростверка и свай:

Gгр=(Vy - Vp - Vсв)*?гр

где Vy - объем условного фундамента: Vy=By*Ly*Dy

Vp - объем ростверка: ;

Vсв - объем сваи: ;

?гр - осредненное значение удельного веса грунта, кН/м3.

Вес ростверка

,

где - коэффициент надежности по назначению, равный 0,95 для зданий II класса ответственности;

- коэффициент надежности по нагрузке, для постоянных нагрузок 1,1;

- среднее значение удельного веса равное 20кН/м3.

17. Свойства лессовых просадочных грунтов. Типы грунтовых условий по просадочности

Лессовые грунты являются одними из наиболее распространенных разновидностей континентальных четвертичных отложений. На земном шаре они покрывают большие территории, встречаясь практически на всех континентах.

Лессовый грунт:

- по грануло-метрическому составу содержит более 50 % пылеватых (размером 0,05...0,005 мм) частиц, легко-и среднерастворимые соли и карбонаты кальция, однородный, преимущественно макропористый; в маловлажном состоянии способен держать вертикальный откос; при замачивании маловлажный лессовый грунт дает просадку, легко размокает и разминается, а при полном водонасыщении может переходить в плывунное состояние.

...