Проектирование фундаментов промышленных и гражданских зданий в инженерно-геологических условиях Дальневосточного федерального округа

Фундаменты мелкого заложения возводятся в открытых котлованах. Их отличительными особенностями являются передача нагрузки на основание преимущественно через подошву и отношение высоты фундамента к ширине менее четырех. Применение таких фундаментов обычно считается рациональным при глубине заложения до 2…4 м.

По форме фундаменты разделяются: на отдельные (под колонны); ленточные (под стены); сплошные или плитные (под все здание). Основание фундаментов может быть естественным или искусственным. В первом случае грунты используются без предварительной подготовки. Во втором - до начала строительства производится замена или целенаправленное улучшение свойств грунтов, например уплотнением, закреплением, осушением.

3.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента

Глубина заложения подошвы фундамента (рис. 3.1, 3.2) должна приниматься с учетом следующих факторов:

- назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения, нагрузок и воздействий на его фундаменты;

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

- существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;

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

- гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации;

- возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов, трубопроводов и др.);

- глубины сезонного промерзания грунта.

Конструктивными особенностями возводимых сооружений являются:

· величина и характер нагрузок, передаваемых на фундаменты;

· наличие подземных этажей, подвалов, подполий, приямков и других устройств, заглубленных в грунт;

· характер конструкций, через которые нагрузка передается на фундаменты (колонна каркаса, инженерные болты, несущие стены, распорные конструкции);

· чувствительность надземных конструкций к возможному развитию неравномерных осадок.

Нагрузки, передаваемые надземными конструкциями на фундаменты, определяют их размеры в плане и ожидаемые осадки фундаментов при данном напластовании грунтов [14].

Рис. 3.1. Заглубление фундамента относительно отметки пола подвала: а - при отсутствии гидроизоляции; б - при наличии гидроизоляции подвальных помещений; в, г - при наличии технического подполья или подвального помещения в зависимости от ширины подвала; 1 - гидроизоляция; 2 - замок из гидроизоляции; 3 - стяжка; h_k - толщина пригрузочного бетонного пола; h_n - высота фундаментной подушки

Иногда высота фундаментов, обусловленная прочностью его материала, заставляет увеличивать глубину заложения фундаментов. В частности, при устройстве фундаментов под тяжелые металлические колонны, высота фундаментов зависит от необходимости заделки анкерных болтов.

При наличии подземных устройств подошву фундаментов требуется заглублять ниже таких устройств. В частности, фундаменты заглубляются в нескальные грунты не менее чем на 0,5 м ниже отметки пола подвала.

В случае устройства внутренней гидроизоляции подвальных помещений минимальная глубина заложения определяется по формуле

, (3.1)

где h_n - толщина подушки, м; h_cf - толщина конструкции пола подвала, м.

Рис. 3.2. Глубина заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей: а - под сборную железобетонную колонну; б - под металлические колонны (общий вид и армирование); 1 - анкерные болты; 2 - арматурные сетки

При примыкании проектируемых фундаментов к существующим различают следующие случаи: подошва проектируемых фундаментов располагается выше глубины заложения существующих (рис. 3.3, а), на одном и том же уровне

(рис. 3.3, б, в) и ниже подошвы существующего фундамента (рис. 3.3, г, д). Значение тангенса угла в определяется из выражения

, (3.2)

где ц_l - расчетные значения угла внутреннего трения; с_l - расчетное удельное сцепление; p_l - интенсивность давления на подошве расположенного выше фундамента.

В случаях, изображенных на рис. 3.3, б, в, г, д, необходима проверка устойчивости существующего фундамента.

Когда вновь возводимые фундаменты приходится делать на различных отметках, переход от большей глубины заложения к меньшей осуществляется уступами, как изображено на рис. 3.4, где tgв определяется по формуле (3.2).

В связных грунтах (при c ? 50 кПа) можно принимать tgв = 1.

Рис. 3.3. Случаи примыкания к существующим фундаментам: 1 - существующий фундамент; 2 - проектируемый фундамент; 3 - шпунт

Рис. 3.4. Высотное расположение уступов: а - при смежных отдельных фундаментах; б - при ленточном фундаменте (размеры в метрах)

В зависимости от рельефа стройплощадки фундаменты под стенами длинных зданий могут иметь различную глубину заложения, следуя за рельефом площадки. В этом случае фундаменты проектируют с уступами как по длине, так и по глубине здания. При проектировании уступов должно соблюдаться условие

, (3.3)

где l_y - длина уступа фундамента, м; h_y - высота уступа, м. Для ленточных фундаментов высота уступов принимается 0,5-0,6 м, а длина участка фундамента 1-1,2 м.

По инженерно-геологическим условиям глубина заложения фундаментов назначается в зависимости от строения толщи основания. В многослойной толще при согласном напластовании грунтов фундамент закладывается на опорный слой, имеющий высокие прочностные (c, ц) и деформационные (Е) характеристики. В однородной толще оснований глубина заложения фундаментов назначается конструктивно, но не более 5-6 м и не менее 0,5 м. Кроме напластования грунтов, учитывают и режим подземных вод - гидрогеологические условия площадки строительства. Заглубление подошвы ниже уровня подземных вод (У.П.В.) вызывает удорожание строительства и нарушение природной структуры грунта несущего слоя гидростатическим и гидродинамическим давлением подземной воды. Поэтому желательно располагать подошву фундаментов выше уровня подземных вод во время закладки фундаментов или принимать минимальное их заглубление ниже указанного уровня.

Положение уровня подземных вод существенно сказывается также на пучении грунтов при их промерзании, что учитывается нормами [16].

При закладке фундаментов в обводненных грунтах необходимо заранее разработать проект водопонижения на период строительства [13].

Основными климатическими факторами, влияющими на глубину заложения фундаментов, являются промерзание-оттаивание грунтов и высыхание - увлажнение верхних слоев грунта. Известно, что при промерзании некоторых грунтов наблюдается их морозное пучение - увеличение в объеме, поэтому в таких грунтах нельзя закладывать фундаменты выше глубины промерзания.

Нормы проектирования [16] рекомендуют расчетную глубину заложения фундаментов наружных стен и колонн принимать в зависимости от положения У.П.В. и показателя текучести пылевато-глинистых грунтов.

Нормативную глубину промерзания можно определить по формуле (если

< 2,5 м [16])

, (3.4)

где M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур воздуха за зиму в данном районе, принимаемых по [15] или по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях со строительной площадкой; d₀ - величина, м, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23; для супесей, песков пылеватых и мелких 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности 0,30; крупнообломочных грунтов 0,34.

Глубина заложения фундаментов (рис. 3.5) стен бесподвальных зданий в зависимости от глубины расположения У.П.В. назначается по табл. 3.1 с учётом расчетной глубины промерзания грунтов около фундаментов. Расчетная глубина промерзания определяется по формуле [16]

, (3.5)

где - нормативная глубина промерзания; - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на глубину промерзания грунта у фундаментов стен, принимается по [16, табл. 1] или по табл. 3.2.

Рис. 3.5. Заложение фундаментов в зависимости от глубины промерзания и уровня подземных вод

Таблица 3.1 Глубина заложения фундаментов отапливаемых сооружений по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания

Примечания:

1. Если по табл. 3.1 глубину заложения фундаментов допускается принимать вне зависимости от расчетной глубины промерзания d_f, грунты, соответствующие этим случаям, должны залегать до глубины не менее нормативной глубины промерзания . 2. Положение уровня подземных вод должно приниматься с учетом указаний [16 пп. 2.17-2.21]. 3. К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии - помещения первого этажа. 4. При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент k_h принимается с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Коэффициент влияния теплового режима здания K_h на глубину промерзания грунта у фундаментов наружных стен

По полученным значениям глубины заложения подошвы фундаментов в зависимости от вышеперечисленных факторов к дальнейшим расчетам принимается наибольшее значение. Причем для фундаментов колонн глубина заложения должна быть кратна 150 мм.

3.2 Определение размеров подошвы фундамента

В большинстве случаев расчет фундаментов мелкого заложения выполняется по второй группе предельных состояний. При этом используется расчетная схема основания в виде линейно-деформируемой среды. Ее применение считается допустимым при развитии зон пластических деформаций грунтов в основании на глубину не более b/4, где b - ширина подошвы фундамента. Для выполнения этого условия среднее давление под подошвой P не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по СНиП [16, формула (3.7)] или по формуле (3.7) данного пособия.

Форма и размеры фундамента в плоскости обреза определяются размерами толщины стены. Форма подошвы ленточных и столбчатых фундаментов, как правило, прямоугольная в плане. Вычерчивается расчетная схема действия нагрузок на фундамент (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Расчетные схемы воздействия нагрузок на фундаменты: а - ленточный; б - столбчатый

Площадь подошвы нагруженного фундамента в первом приближении определяется из [6] по формуле

, (3.6)

где N_0II - расчетная нагрузка, приложенная к обрезу фундамента, кН; R₀ - расчетное сопротивление грунта основания, кПа (табл. 2.2); г_ср - средний удельный вес грунта и материала фундамента, кН/м³, принимаемый равным 20 кН/м³, а при наличии подвала - 16 кН/м³; d_l - глубина заложения фундамента от планировочной отметки, м.

Для ленточного фундамента под стены b = А; для квадратного фундамента ; для прямоугольного , где K_п - коэффициент соотношения сторон K_п = /b; K_п можно принять по соотношению сторон колонны.

Размеры подошвы фундамента следует округлять до существующих в [3] размеров фундаментных подушек (прил. 6), а для фундаментов под колонны - кратными 30 см.

3.3 Определение расчетного сопротивления грунта основания

По полученной в подразд. 3.2 величине b и глубине заложения d_l, определяем расчетное сопротивление грунта основания R, кПа,

, (3.7)

где г_C1 и г_C2 - коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3.3; k - коэффициент, принимаемый k = 1, если прочностные характеристики грунта (ц и с) определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по таблицам [16]; M, M_q, M_c - коэффициенты, принимаемые по табл. 3.4; k_z - коэффициент, принимаемый k_z = 1 при b < 10 м, k_z = Z₀/b+0,2 при b ? 10 м (Z₀ = 8 м); b - ширина подошвы фундамента, м; г_II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м; - то же, залегающих выше подошвы; с_II - 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 или внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле

, (3.8)

где h_s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; h_cf - толщина конструкции пола подвала, м; г_Cf - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м; d _b - глубина подвала - расстояние от уровня планировки до уровня пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной В ? 20 м и глубиной свыше 2 м принимается d _b = 2 м, при ширине подвала В > 20 м, d _b = 0).

Примечания:

1. Формулу (3.7) допускается применять при любой форме фундаментов в плане. Если подошва фундамента имеет форму круга или правильного многоугольника площадью А, принимается .

2. Расчетные значения удельного веса грунта и материала пола подвала, входящие в формулу (3.7), допускается принимать равными их нормативным значениям.

3. Если d ₁ > d (d - глубина заложения фундамента от уровня планировки), в формуле (3.7) принимается d ₁ = d ₁ и d _b = 0.

Осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы в пределах глубины d ₁, определяется по формуле

, (3.9)

где h₁ - мощноcть 1-го слоя грунта; - удельный вес 1-го слоя грунта.

Таблица 3.3 Коэффициенты условий работы

Примечания: 1. К сооружениям с жесткой конструктивной схемой относятся сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформации оснований, в том числе за счет применения мероприятий, указанных в [16 п. 2.70,б]. 2. Для зданий с гибкой конструктивной схемой значения коэффициента г_c2 принимается равным единице. 3. При промежуточных значениях L/H коэффициент г_C2 определяется по интерполяции.

Вычисление расчетного сопротивления и несущей способности грунтов строительной площадки целесообразно вести на ЭВМ с использованием программного комплекса MathCAD. Результаты расчета приведены в прил. 15.

Таблица 3.4 Значения коэффициентов М_г, М_q, М_с

3.4 Уточнение размеров фундамента и расчетного сопротивления грунта

После определения расчетного сопротивления грунта R уточняют размеры подошвы фундамента, подставляя в формулу (3.6) вместо R₀ значения R. Если полученные размеры подошвы отличаются от ранее принятых, то необходимо уточнить значение расчетного сопротивления грунта основания при вновь принятых размерах подошвы фундамента.

3.5 Конструирование фундамента

В данном проекте рассматриваются ленточные, плитные и столбчатые фундаменты зданий и сооружений из сборного бетона и железобетона, а при проектировании фундаментов под колонны предусматривается монолитный железобетон. Маркировка и модульные размеры фундаментов приведены в прил. 6.

Схемы конструирования фундаментов приведены на рис. 3.7-3.12.

Рис. 3.7. Конструирование ленточных фундаментов: а - поперечный разрез; б - продольный разрез; в - переход от меньшей глубины заложения к большей; 1 - отмостка; 2 - фундаментные блоки; 3 - фундаментные подушки; 4 - бетон по месту

При конструировании фундаментов необходимо соблюдать следующие требования: правильно подбирать блоки, без излишнего запаса площади фундамента; число бетонных блоков по высоте фундаментной стены необходимо принимать с таким расчетом, чтобы обрез фундамента был выше отметки планировки на

200-300 мм; длина консолей фундаментных плит (подушек) после монтажа фундаментной стены не должна превышать допустимую величину; толщину стен фундаментов разрешается принимать меньше (не менее 300 мм) толщины стен здания с величиной свеса не более 150 мм; при раскладке стеновых (фундаментных) блоков по длине стены необходимо следить за их перевязкой по высоте стены, по углам, в пересечениях и примыканиях стен здания (см. рис. 3.7); переходы отметки заложения одной подошвы фундамента к другой осуществляются уступами - высота ступеней 30-60 см, их длина равна длине нижнего блока; разность отметок подошв рядом расположенных фундаментов не должна превышать величину ?h

, (3.10)

где а - расстояние между фундаментами в свету; tgц_I, C_I, P_I - см. формулу (3.2).

Рис. 3.8. Конструирование блочных фундаментов: а - ленточных; б - столбчатых под столбы и колонны промышленных зданий; в - под колонны промышленных зданий; 1 - стена здания; 2 - гидроизоляция; 3 - блоки стены фундамента; 4 - фундаментная плита; 5 - колонна; 6 - башмак; 7 - фундаментная балка; 8 - бетонный столбик

Условие (3.10) распространяется и на случай определения допускаемой разности заложения фундаментов здания и рядом расположенных каналов, тоннелей, траншей и других объектов.

Монолитные железобетонные фундаменты являются основным типом фундаментов под колонны, включающих плитную часть ступенчатой формы и подколонник.

Сопряжение сборных колонн с фундаментом осуществляется посредством стакана, монолитных - соединением арматуры колонн с выпусками из фундамента, стальных - креплением башмака колонны к анкерным болтам, забетонированным в фундамент [6, 7, 11, 12].

Отметка верха фундаментов принимается на 150 мм ниже отметки чистого пола зданий.

Высота фундамента h_ф назначается по условиям заглубления или условиям заделки колонн; высота плитной части фундамента h назначается по расчету. Если высота фундамента h_ф получается больше высоты плитной части, требуемой по расчету, увеличение высоты фундамента производится за счет изменения высоты подколонника h_n (рис. 3.13).

Рис. 3.9. Фундаменты из сборных железобетонных элементов (бесподвальный вариант)

Рис. 3.10. Фундаменты из сборных железобетонных элементов (здание с подвалом)

Рис. 3.11. Конструкция монолитного отдельного фундамента плитной конструкции под сборные железобетонные колонны

Рис. 3.12. Конструкция монолитного отдельного фундамента под сборную железобетонную колонну (плитный с подколонником)

Рис. 3.13. Расчетная схема фундамента здания с подвалом

Форму отдельных фундаментов в плане при центральной нагрузке рекомендуется принимать квадратной, если этому не препятствуют фундаменты соседних зданий, подземные сооружения, фундаменты под оборудование.

При внецентренной нагрузке фундамент рекомендуется принимать прямоугольной формы с соотношением сторон подошвы фундамента от 0,6 до 0,85.

Размеры в плане подошвы фундамента, ступеней, подколонника рекомендуется принимать кратными 300 мм.

Высота фундамента при h_ф ? 1500 мм принимается кратной 150 мм, при

h_ф > 1500 мм - кратной 300 мм.

Высоту ступени рекомендуется назначать равной 300, 450 и при большей высоте плитной части фундамента 600 мм (прил. 6, табл. 3).

При назначении ширины ступени следует стремиться к тому, чтобы отношение выноса ступени к ее высоте было не больше двух [12].

Зазоры между стенками стакана и колонной принимаются равными понизу не менее 50 мм и поверху не менее 75 мм. Минимальную толщину стенок неармированного стакана поверху следует принимать 0,75 высоты верхней ступени (подколонника) фундамента или 0,75 глубины стакана, но не менее 200 мм. В фундаментах с армированной стаканной частью толщина стенок стакана определяется расчетом, но не должна быть менее 150 мм.

Глубина заделки колонны должна быть не менее величины большей стороны колонны плюс 50 мм для обеспечения возможности рихтовки колонны.

Толщину дна стакана следует принимать по расчету на раскалывание и продавливание [12], но не менее 200 мм.

3.6 Проверка давлений под подошвой фундамента с уточнением расчетного сопротивления грунта основания

После завершения конструирования фундамента по предварительным размерам его подошвы для определения фактического давления на основание, кроме заданных N_II и M_II, необходимо учесть: вес фундамента N_фII и грунта N_грII, лежащего на ступеньках фундамента; изгибающий момент от бокового давления грунта (для стены подвала) M_3II обратной засыпки пазух фундамента и пригрузки q₃, расположенной около стены подвала (рис. 3.13) и изгибающий момент от грунта, расположенного на консолях фундамента M_грII.

Для центрально-нагруженного фундамента должно соблюдать условие

, (3.11)

где P_ср - среднее давление по подошве фундамента, кПа,

, (3.12)

где , (3.13)

N_оII - внешняя расчетная нагрузка, действующая на обрез фундамента, кН; N_фII - расчетная нагрузка от веса фундамента, кН; N_грII - расчетная нагрузка от веса грунта, пола над уступами фундамента, кН.

При расчетах фундаментов зданий можно принять

, (3.14)

тогда формула (3.11) примет вид:

. (3.15)

При расчете внецентренно нагруженного фундамента методом последовательного приближения добиваются удовлетворения следующих условий:

· для среднего давления по подошве P_ср < R,

· для максимального краевого давления Р_max ? 1,2 R, (3.16)

· для минимального краевого давления P_min ? 0.

Краевое давление определяется по формуле

(3.17)

или

, (3.18)

где M_II - суммарный момент от основного сочетания расчетных нагрузок, кНм.

Для бесподвальных зданий и для фундаментов под колонны M_II = M_0II. При наличии подвала (см. рис. 3.13) суммарный расчетный момент [6] может быть определен по формуле

_, (3.19)

где M_0II - заданный момент по обрезу фундамента, кНм; M_3II - момент от активного давления грунта обратной засыпки пазух и пригрузки около стены;

,(3.20)

, (3.21)

где P₃ - боковое давление грунта и пригрузки q = 10 кПа; L = d+h_пр - высота эпюры давления грунта; h_пр = q/г_II - приведенная (фиктивная) высота слоя грунта, заменяющая величину пригруза; г_II - удельный вес грунта обратной засыпки;

ц_срII - угол внутреннего трения грунта засыпки; W = b²/6 - момент сопротивления прямоугольного сечения подошвы или одного метра длины ленточного фундамента о...