Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки застройки и их оценка

Основные понятия курса, его цели и задачи рассмотрены в лекционных материалах.

В методических указаниях к практическим занятиям даются краткие сведения о фундаментных конструкциях и котлованах, рекомендации по анализу здания и его фундаментов (ленточные, отдельные), инженерно-геологических условий площадки строительства и привязке сооружения к инженерно-геологическому разрезу. Приводятся примеры проектирования сборных фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов для гражданских зданий в открытых котлованах, примеры расчёта стабилизированных и нестабилизированных осадок на слабых водонасыщенных структурно-неустойчивых грунтах. По каждому конкретному вопросу проектирования приводятся ссылки на литературу. В Приложении 1 к настоящему пособию, ссылки на которое напечатаны курсивом, даются необходимые табличные данные. Для выполнения заданий на практических занятиях по основаниям и фундаментам используется необходимая исходная информация о сооружении и основании.

Задание состоит из двух частей. В одной представлены сведения об инженерно-геологических условиях площадки строительства, в другой - о здании и его конструктивной части.

На основе анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства будет выполнятся проектирование фундаментов в рамках данного курса.

Сначала рассматриваются возможные типы основания, анализируется инженерно-геологические и гидрогеологические условия с точки зрения использования территории в качестве площадки строительства гражданского здания в открытом котловане. На этом этапе проверяются и анализируются данные, представленные в РГР курса «Механики грунтов». Если студент не выполнял это задание ранее, то его выполнение осуществляется в рамках самостоятельной работы, согласованной с преподавателем, используя Приложение 1 Таблицы 1-7.

Результаты работы должны содержать следующие сведения об инженерно-геологических условиях:

1)?Инженерно-геологический разрез в масштабе: М_в1:100; М_г1:500. На разрез нанесены геологические выработки и уровень грунтовых вод. Приводятся условные обозначения слоёв грунта и эпюра значений величины условного расчётного сопротивления R_о по глубине.

2)?Графики результатов штамповых и лабораторных испытаний грунтов основания, значения параметров деформируемости. Значения параметров прочности и коэффициент фильтрации грунтов основания студенту известны из задания, по которому выполнялся геологический разрез. фундамент котлован ленточный подтопление

3)?На геологическом разрезе (относительно центральной геологической выработки или рядом с разрезом) показана эпюра природного давления.

Студент знаком с определением классификационных признаков грунтов. Грунты представленные на геологических разрезах, необходимых для выполнения задач на практических занятиях, имеют общие, перечисленные ниже признаки.

Все грунты, слагающие массив грунта и представленные на геологическом разрезе в соответствии с ГОСТ 25100-2011 [12], имеют одни и те же класс (природные дисперсные грунты), группу (связные или несвязные), подгруппу (осадочные), тип (минеральные). Они различаются только по виду - песчаные или глинистые и по разновидностям.

Разновидности для песчаных грунтов выделяются по гранулометрическому составу - гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий, пылеватый (Приложение 1, табл. 1); по плотности сложения, определяемой через коэффициент пористости е - плотный, средней плотности, рыхлый (Приложение, табл. 2); по коэффициенту (или степени) водонасыщения s_r - маловлажный, влажный, насыщенный водой (Приложение 1, табл. 3).

Разновидности для глинистых грунтов, определены по численному значению числа пластичности I_p - супесь, суглинок, глина (Приложение, табл.5); определяющие консистенцию - по показателю текучести

:

-?супесь - твёрдая, пластичная, текучая;

-?суглинок и глина - твёрдые, полутвёрдые, тугопластичные, мягкопластичные, текучепластичные, текучие (Приложение, табл.6).

По классификационным признакам грунтов определяют их расчётные сопротивления R₀ (кПа) по СП 22.13330.2011 [6] (Приложение В), а также нормативные значения модуля общей деформации Е (кПа) и прочностных характеристик: - угла внутреннего трения и с (кПа) - удельного сцепления (Приложение Б [6]). В рамках 1-го практического занятия студенты анализируют выполненный ими ранее геологический разрез. Параметры деформируемости, определяемые по графикам полевых и лабораторных испытаний, уточняются в процесс выполнения задания по проектированию конкретного фундамента.

На первом занятии анализируются инженерно-геологические данные, площадки застройки. Рассматриваются возможные типы основания.



Рис. 1.1. Инженерно-геологический разрез 1-1 с привязкой сооружения.

1.1 Конструкция сооружения, фундаменты, нагрузки

Конструктивная часть содержит: план на отметке пола первого этажа, который принимается как типовой, сведения о количестве этажей, нормативных нагрузках на несущие конструкции (стены и колонны), относительных отметках пола 1ого этажа, подвала, поверхности планировки, толщине и материале стен, расположении ригелей, если они имеются. Сведения о конструктивной части выдаются согласно заданиям (Приложение 2) по согласованию с преподавателем.

При ознакомлении с конструктивной частью задания необходимо установить:

-?функциональное назначение здания (жилое, административное, производственное), размеры в плане, высоту, наличие и глубину расположения подземных помещений;

-?конструктивную схему здания (каркасное, бескаркасное, с неполным каркасом) и материал несущих конструкций (стены: кирпичные, блочные, панельные; колонны: железобетонные, стальные);

-?объёмно-планировочное решение (секции, квартиры, несущие и самонесущие стены);

-?схему передачи нагрузок от несущих конструкций на фундаменты и нормативные величины этих нагрузок (последние даются в задании);

-?типы фундаментов (ленточные - под стены, отдельные - под колонны), характер передаваемой на них нагрузки (центральная, внецентренная);

-?ориентировочную глубину заложения фундаментов по заглублению пола подвала от планировочной отметки.

Сведения, полученные и усвоенные в результате ознакомления с данными о сооружении, должны создать ясные представления о нем, о его конструктивной схеме и дать возможность составить предварительное суждение об особенностях его взаимодействия с основанием.

Нагрузки и воздействия классифицируются и определяются в соответствии с СП 20.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия») [11]. Согласно им они подразделяются на постоянные (собственный вес конструкций, давление грунта и т.п.) и временные. Последние в свою очередь могут быть длительными (вес оборудования, складируемых материалов и т.п.), кратковременными (крановые, от транспортных средств, людей, снега и т.п.) и особыми (сейсмические, аварийные и т.п.).

Нагрузки рассчитываются при разных сочетаниях: основном, когда учитываются постоянные, а также временные длительные и кратковременные; особом, состоящем из постоянных, временных длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок и воздействий.

Для примеров, решаемых на практических занятиях, нормативные нагрузки даются для основного сочетания.

Проектирование фундаментов и расчёт оснований производится по расчётным нагрузкам. Согласно п. 4.2 СП [11] расчётное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надёжности по нагрузке г_f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. Даются подробные указания о том, какие значения г_f следует принимать при расчёте по прочности и устойчивости в зависимости от расчётных случаев (основной, особый), вида нагрузки (постоянная, временная), происхождения нагрузки (от веса строительных конструкций, от пригрузки грунтом - постоянные, от оборудования, людей, животных, складируемых материалов, снега - временные). Учитывается целый ряд и других факторов. С учётом сказанного значения г_f могут изменяться от 1,0 до 1,4.

В заданиях при вычислении расчётной нагрузки N_I для расчётов основания по первому предельному состоянию (по прочности и устойчивости) принимается обобщённое значение г_f =1,2, при вычислении N_II для расчётов основания по второму предельному состоянию (по деформациям) - г_f =1, то есть:

N_I=1,2(N_П+N_В),

N_II=1,0(N_П+N_В) ,

(1.1)

где N_П и N_В - нормативные нагрузки постоянные и временные соответственно. Они даются в задании на курсовой проект.

В предлагаемых примерах здания имеют подвал под всем зданием. Поэтому приводимые в них нормативные нагрузки включают постоянную и временную нагрузки и от пола подвала.

Но в некоторых заданиях нормативные нагрузки от сооружения и от пола подвала даются отдельно. В таком случае расчётные нагрузки вычисляются по формулам.

N_I =1,2·[( N_П + N_ПП ) + ( N_В +N_ВП )],

N_II =1·[( N_П + N_ПП ) + ( N_В +N_ВП )],(1.1')

где N_П и N_ПП - соответственно постоянная нагрузка от сооружения и дополнительная постоянная нагрузка, указанная в задании от пола подвала.

N_В и N_ВП - соответственно нормативные временная нагрузка от сооружения и дополнительная временная нагрузка, указанная в задании от надподвального перекрытия и пола подвала.

Нагрузка на основание включает нагрузки не только от сооружения и полезной нагрузки в нем N, но и от собственного веса фундамента Q и грунтовой пригрузки на его поверхности G, то есть N_полн=N+Q+G. В зависимости от рассматриваемого в расчете предельного состояния нагрузки N, Q,и G умножаются на соответствующий коэффициент надежности по нагрузке г_f =1 или г_f =1,2.

В некоторых примерах пособия встречаются случаи, когда известна расчетная нагрузка N_II ,но неизвестна N_I.Тогда N_I = 1,2 N_II (Пример 11). Если известна N_I, то (Пример 10, п. 7).

На практических занятиях определяются форма, размеры и глубина заложения фундаментов под несущие стены и (или) колонны.

Пример 1. Определение расчётных нагрузок на фундаменты

Расчётная нагрузка на ленточный фундамент (наружная стена, ось...)

На наружную стену здания с подвалом (ось …) действуют нормативные нагрузки в основном сочетании, приложенные на отметке верхнего обреза фундамента:

-?постоянная N_п=341 кН/пог.м;

-?временная N_в=21 кН/пог.м.

К ним прибавляются отдельно указанные в задании нагрузки: постоянная N_пп и временная N_вп от надподвального перекрытия и пола подвала.

-?постоянная N_пп=14 кН/пог.м;

-?временная N_вп=2 кН/пог.м.

Вычисляем расчетные нагрузки.

Для расчетов по первой группе предельных состояний:

Для расчетов по второй группе предельных состояний:

Расчетная нагрузка на отдельный фундамент под колонну (внутренняя стена, ось …)

Внутренние стены здания с подвалом опираются через ригели на ряд колонн.

Нормативные нагрузки на колонну, приложенные на отметке низа пола первого этажа следующие:

-?постоянная N_п=921 кН;

-?временная N_в=145 кН.

К этим нагрузкам добавляются отдельно указанные в задании нагрузки: постоянная N_пп и временная N_вп^.

-?постоянная N_пп=65 кН;

-?временная N_вп=6 кН.

Расчетные нагрузки:

для расчетов по первой группе предельных состояний:

для расчетов по второй группе предельных состояний:



2. Методы расчёта по предельным состояниям, выполнение предварительных расчётов для привязки сооружения к геологическому разрезу

Проектирование фундаментов производится по двум группам предельных состояний. Первая группа расчётов - расчёты по прочности, вторая группа - по деформациям. В данном разделе рассматриваются расчёты фундаментов по первой группе предельных состояний - по прочности

Для варианта фундаментов мелкого заложения необходимо показать будет ли основание естественным и какой слой возможно использовать в качестве рабочего слоя, пригодного для опирания на него подошвы фундамента данного сооружения.

Если на предполагаемой глубине заложения фундаментов залегает слой грунта с расчётным сопротивлением R₀не менее 150…200 кПа мощностью 1,0…1,5 м и более его можно рассматривать потенциально пригодным для опирания фундаментов здания. Ориентировочное суждение о его пригодности в качестве рабочего слоя получают прикидочным расчётом необходимой площади подошвы фундамента А, при которой среднее давление под ним р_II от нагрузок N_II, вычисленное для расчётов по второму предельному состоянию, не будет превышать расчётное сопротивление R₀ грунта этого слоя, то есть будет выполняться условие:

р_II? R₀*(2.1)

Среднее давление по подошве фундамента р_II , определяется по формуле:

(2.2)

где N_II - расчётная вертикальная нагрузка для расчётов по второму предельному состоянию от сооружения, собранная до уровня верхнего обреза фундамента (низа пола 1-го этажа);

Q_II и G_II - расчётные значения веса фундамента и грунтовой пригрузки на нем соответственно, принимаемые равными их нормативным значениям (г_f=1);

А - площадь подошвы фундамента.

Так как фундамент ещё не запроектирован, то сумма его собственного веса Q_II и веса грунтовой пригрузки на нем G_II может учитываться приближённо: Q_II + G_II =A· d· г_ср (d - предполагаемая глубина заложения фундамента, г_ср- осредненное значение удельного веса материалов фундамента и грунтовой пригрузки, принимаемое г_ср=20 кН/м³).

С учётом принятого приближения формула (2.2) запишется в виде:

(2.3)

Из формулы (2.3) при известном R₀ рабочего слоя можно определить требуемое значение площади подошвы фундамента А, при которой будет иметь место равенство: p_II=R₀. В этом случае предлагаемое ориентировочное значение требуемой площади подошвы будет минимальным и, следовательно, конструкция фундамента окажется наиболее экономичной.

Площадь подошвы ленточного фундамента А=b·1 пог.м, так как нагрузка на него собирается с 1 погонного метра длины стены. Поэтому ширина ленточного фундамента b численно равна площади А. У отдельногоквадратного фундамента А=b², откуда . С учётом этого, для предварительного определения необходимой (требуемой) ширины b ленточного фундамента, используется формула (2.4), отдельного - формула (2.4'):

(2.4)

(2.4')

Требуемая ширина b подошвы фундамента не должна превышать стандартной ширины по [17] («Каталог конструктивных элементов фундаментов гражданских и административных зданий»): для ленточных фундаментов максимальная ширина b=3,2 м, для отдельных квадратных b=2,1 м.

Следует отметить, что требуемую опорную площадь для отдельных фундаментов можно увеличить против максимальной стандартной 2,1Ч2,1 м. Для этого вместо одноблочных фундаментов используются составные - из опорной плиты и монтируемого на её поверхности подколонника (см. рис. III.1. А (в). Примеры 6, 7, рис. 6.2 и 7.2).

Если требуемые размеры фундамента окажутся больше максимальных стандартных или несколько увеличенных вышеуказанным способом для отдельных фундаментов, то слой грунта с расчетным сопротивлением R₀, которое использовалось при вычислении ширины b в формулах (2.4) или (2.4') следует признать непригодным в естественном состоянии для опирания на него данного здания через типовые сборные фундаменты мелкого заложения. Также непригодными будут слабые грунты с ненормируемым R₀ - рыхлые пески, глинистые грунты текучей консистенции, торфы, заторфованные, неслежавшиеся насыпные грунты. В этом случае при оценке инженерно-геологических условий основания для возведения на нем фундамента мелкого заложения следует указать на необходимость искусственного улучшения основания различными пригодными для данных условий методами ([1], глава 12) или замены верхней части, либо всей толщи слабого грунта, например, путём устройства песчаной подушки (Пример 9).

Необходимо ещё раз отметить, что расчёт требуемых размеров площади подошвы по формулам 2.4 и 2.4' является приближенным. Он является приближенным еще и потому, что требуемая площадь подошвы для сооружений I и II уровней ответственности должны подбираться по условию p_II=R (см. сноску на предыдущей стр.), но формулы 2.4 и 2.4' получены исходя из условия p_II=R₀, хотя разница между табличным значением R₀ и значением R, вычисленным по формуле (5.7) [6] может быть существенной. Поэтому достаточно уверенно можно считать рассматриваемый слой рабочим слоем в том случае, когда требуемая площадь окажется меньше стандартной. Окончательное суждение о пригодности грунтового слоя для опирания на него данного здания через типовые сборные фундаменты каталога [17] делается в дальнейшем методом последовательных приближений с использованием расчётного сопротивления R (см. Примеры 3…7).

Когда слой, расположенный на предполагаемой глубине заложения фундамента можно использовать в качестве рабочего, необходимо обратить внимание на величину расчётного сопротивления грунта подстилающего слоя. Если табличное расчётное сопротивление R₀ слоя, залегающего непосредственно под рабочим слоем, будет меньше, чем у грунта рабочего слоя (рис. 1.1), то такой слой называют слабым подстилающим слоем. В этом случае потребуется проверка допустимости передающегося на него суммарного давления от вышележащего грунта и от сооружения. Чем больше будет расстояние от подошвы фундамента до кровли слабого подстилающего слоя, тем больше вероятность того, что условие проверки удовлетворится (Пример 13).

Для варианта свайного фундамента необходимо констатировать наличие в разрезе, на приемлемой для устройства свайного фундамента глубине, слоёв грунта, пригодных для обеспечения достаточной несущей способности свай за счёт сопротивления грунта по ее боковой поверхности и под нижним концом.

Изложенное выше даёт представление о том, на что необходимо обратить внимание при оценке инженерно-геологических условий основания фундаментов одного и другого вариантов[1]*. Оценка должна быть краткой и конкретной. В ней нужно указать:

-?есть ли на предлагаемой глубине заложения фундаментов слой грунта, который можно в естественном состоянии использовать в качестве рабочего слоя, пригодного для опирания фундаментов мелкого заложения данного сооружения или такого слоя нет, но есть слабый грунт с ненормируемым расчетным сопротивлением R₀, который подлежит искусственному улучшению или замене песчаной подушкой;

-?залегают ли под рабочим слоем слабые подстилающие грунты и возможно ли заложить подошву фундамента мелкого заложения на такой отметке, чтобы расстояние от нее до кровли слабого подстилающего слоя (минимум 0,7…1,0 м) могло удовлетворить проверку допустимости давления на слабый слой;

-?имеются ли на площадке застройки на необходимой глубине грунты, пригодные для обеспечения высокой несущей способности свай.

При выполнении на практических занятиях заданий, предложенных в разделе 1, студент получает ясное представление о грунтовом основании, конструкции фундамента и нагрузках на фундаменты. Полученных данных достаточно для выполнения заданий, связанных с привязкой рассматриваемого здания к конкретному геологическому разрезу.

2.1 Привязка сооружения к инженерно-геологическому разрезу

Для всех вариантов проектирования фундаментов важно знать гидрогеологию площадки: на какой отметке залегают грунтовые воды, возможно ли подтопление подвального помещения, какой тип гидроизоляции (безнапорная, напорная) потребуется для защиты от них подземной части здания, какой тип водоотлива (глубинный или поверхностный) следует использовать для осушения котлована на время выполнения работ нулевого цикла.

Цель привязки фундаментов мелкого заложения - обеспечить опирание на слой грунта, расположенный неглубоко от поверхности (?1,5…3,5 м), имеющий достаточно высокое расчётное сопротивление (R₀ не менее 150 кПа), не являющийся сильно сжимаемым (Е₀>10 000 кПа), который может использоваться в качестве рабочего слоя для опирания данного здания.

Свайный фундамент - так же выполняется в открытом котловане, глубина которого зависит от конструкций здания - глубины подвала. В задачах по проектированию фундаментов мелкого заложения и свайных глубина котлована отличается и должна уточняться для каждой конструкции.

В примерах, рассматриваемых на практических занятиях, предоставляется свобода действий в отношении привязки сооружения к инженерно-геологическому разрезу, как по высоте, так и в плане. Очевидно, что свободная привязка требует также свободы в назначении планировочной отметки, изменение которой можно осуществить за счёт подсыпки грунтом, вынутым при вскрытии котлована, или за счёт срезки. Поэтому оба эти вопроса должны решаться в увязке друг с другом. Свободная привязка может позволить в некоторых случаях получить более экономичную конструкцию фундамента и более рационально решить весь объем работ по нулевому циклу.

Высотная привязка фундамента мелкого заложения требует знания глубины заложения фундамента d. На данном этапе работы можно использовать ее предварительную величину, которая, определится по имеющимся в задании относительным отметкам планировки и пола подвала. При этом нужно также учесть заглубление подошвы ленточных фундаментов от отметки поверхности пола подвала минимум на 0,7…0,9 м, отдельных - примерно на 0,5…1 м (в зависимости от разрабатываемой конструкции), глубже ленточных. На следующем этапе проектирования глубина заложения и высотная привязка уточняются и относительные отметки дублируются абсолютными.

Особенности залегания пластов грунта диктуют разные варианты привязки здания с фундаментами мелкого заложения.

Вариант первый. Фундаменты по всей площади здания опираются на один слой. Это наиболее желательная ситуация (рис. 1.1). Если под рабочим слоем залегают слабые подстилающие слои, нужно для подошвы фундамента назначить такую отметку, чтобы расстояние от неё до кровли слабого подстилающего слоя составляло не менее 0,7…1,0 м. Она уточняется в дальнейшем по результатам выполнения условия проверки допустимости давления, передающегося на слабый подстилающий слой (Пример 13).

Вариант второй. Залегание слоёв наклонное. Рабочий и подстилающий слои имеют близкие характеристики строительных свойств (расчётные сопротивления R₀, модули деформации Е, коэффициенты фильтрации k_ф). Опирание фундамента в этом случае возможно на части площади здания на рабочий слой, на остальной части - на подстилающий слой.

Вариант третий. Залегание слоёв наклонное. Под рабочим имеется слабый подстилающий слой. Длина здания не позволяет разместить фундаменты на рабочем слое так, чтобы между подошвой фундамента и кровлей слабого подстилающего слоя обеспечивалось расстояние необходимое для удовлетворения проверки давления на слабый слой. Опереть фундамент одной части здания на рабочий слой, другой на слабый подстилающий слой нельзя. Это приведёт к недопустимой неравномерности осадок. Но, так как залегание рабочего слоя наклонное, закладывать фундамент на нем можно уступами на разную глубину от горизонтальной планировочной отметки DL*, увеличивающуюся по направлению падения пласта, то есть делать ступенчатое опирание фундаментов. При этом необходимо соблюдать примерно одинаковое расстояние от подошвы фундаментов до более слабого подстилающего слоя с тем, чтобы в последующих расчётах могла удовлетвориться проверка допустимости давления, передающегося на слабый слой. Высота уступов между ступенями фундамента обычно принимается равной высоте стенового блока - 0,6 м.

При относительно небольшом наклоне слоёв грунта расстояние между уступами ленточных и краями отдельных фундаментов будет достаточно большим, что не представляет опасности. Но если по инженерно-геологическим условиям или конструктивным особенностям здания это расстояние окажется небольшим, то необходимо проверить устойчивость грунта под вышележащими ступенями ленточного фундамента или отдельными фундаментами, заложенными на разной глубине по формуле:

,(2.5)

где Дh - высота уступа; а - длина ступени (расстояние между соседними уступами ленточных или краями отдельных фундаментов); р - среднее давление под верхним фундаментом; ц - расчётное значение угла внутреннего трения грунта, град.; с - удельное сцепление, кПа. Поэтому, производя привязку, следует учитывать влияние Дh и ана выполнение условия (2.5). Такую проверку необходимо делать также в случае, когда наружные стены здания опираются на ленточные фундаменты, а внутренние - на ряд колонн, фундаменты которых обычно заглублены ниже ленточных.

В случае необходимости искусственного улучшения основания для опирания фундамента мелкого заложения, привязка должна быть произведена так, чтобы при минимальной толщине “висячей” закрепляемой зоны или песчаной подушки обеспечивалась проверка допустимости давления на слабый подстилающий слой (Пример 14).

Для варианта свайного фундамента привязка позволяет определить расстояние от подошвы ростверка до прочного слоя грунта, пригодного для погружения в него нижних концов свай и назначить ориентировочную длину свай.

Без привязки нельзя определить расстояние от фундаментной конструкции до уровня подземных вод и решить вопрос о том, какая конкретно защита от них необходима в процессе строительства и эксплуатации здания.

Пример 2. Привязка сооружения к инженерно-геологическому разрезу при наклонном расположении слоёв и при ступенчатом заложении фундаментов

Рис. 2.1. Привязка сооружения к инженерно-геологическому разрезу на разные слои с близкими расчётными сопротивлениями и характеристиками деформируемости.



Рис. 2.2. Ступенчатая привязка сооружения к инженерно-геологическому разрезу.



3. Определение глубины заложения фундамента

После изучения и обработки исходных данных об инженерно-геологических условиях площадки строительства, о конструкции сооружения, нагрузках и после привязки его на инженерно-геологическом разрезе*, выполняется непосредственное проектирование фундаментов.

Особенности инженерно-геологических условий основания, подробно описанные в п. 1.2. (естественное основание без слабого слоя в пределах сжимаемой толщи, то же при наличии одного или нескольких слабых слоёв, искусственно улучшенное основание), вносят соответствующие коррективы в состав и последовательность выполнения расчётов. Это показано в Примерах 3…7, 13 и 14. Но во всех трёх упомянутых случаях проектирование фундамента мелкого заложения начинается с определения его основных размеров - глубины заложения d и площади подошвы А.

По экономическим соображениям глубина заложения фундамента d должна быть минимально возможной. Она определяется с учётом ряда факторов ([6], п. 5.5), из которых на практических занятиях рассматриваются:

-?конструктивные особенности сооружения (наличие подвала или иных подземных помещений);

-?инженерно-геологические условия основания;

-?гидрогеологические условия (положение уровня подземных вод);

-?климатические условия (глубина промерзания).

В зависимости от этих факторов глубина заложения d может получаться разной. Принимается наибольшая из полученных минимально возможных ее значений.

Глубина заложения определяется из конструктивных особенностей здания, а также самого фундамента и глубины промерзания грунтов.

а)?Глубина заложения фундамента d, исходя из конструктивных особенностей, определяется по имеющимся в задании на проектирование данным об относительных отметках пола первого этажа (±0,000), пола подвала, поверхности планировки. К этому добавляются данные о толщине пола подвала h_cf (обычно 0,2…0,15 м) и заглублении подошвы фундамента от низа пола подвала h_s, которое для ленточного и отдельного фундаментов будет разным.

Фундаментная плита ленточного сборного фундамента ФЛ ([17], п. 3, табл. 3.1) имеет высоту h, которая при ширине плиты b<2 м равна 0,3 м, а при b?2 м -0,5 м. Поэтому минимальное заглубление подошвы ленточного фундамента от низа пола подвала h_s = h составляет 0,3 или 0,5 м (рис. III.1.Б(г)).

Под колонну сечением 0,4Ч0,4 м в проекте следует использовать отдельные одноблочные сборные фундаменты стаканного типа 2Ф ([17], п. 2, табл. 2.1), представляющие собой единый блок, включающий фундаментную плиту и подколонник со стаканом внутри него (рис. III. 1. А (а,б)). Он имеет высоту 0,9 м. При необходимости увеличения площади отдельного фундамента сверх ее максимального стандартного размера 2,1x2,1 м, возможно использование составного фундамента. Он делается из монолитной железобетонной плиты требуемой площади и подколонника, который для колонны сечением 0,4x0,4 м имеет размеры в плане 1,2x1,2 м и высоту 0,9 м (рис. III.1. А (в)). В качестве подколонника можно использовать одноблочный фундамент стаканного типа минимального размера марки 2Ф12.9 или больших размеров, что позволит уменьшить толщину плиты за счет уменьшения изгибающих моментов в ее консольных частях. Высота h такого составного фундамента в зависимости от толщины плиты может достигать от 1,2 до приблизительно 1,5 м, т.е. значительно больше чем у ленточного. Возможно также изготовление на заводе ЖБИ фундамента стаканного типа необходимых размеров по индивидуальному заказу.

Значения окончательно принимаются в зависимости от глубины расположения кровли прочного грунта или глубины промерзания и после определения ширины b и соответствующей ей высоты плиты h ленточного фундамента и площади подошвы А и толщины плиты отдельного составного.

Приведённые рассуждения по определению глубины заложения фундамента d исходя из конструктивных особенностей здания и конструкции опорных элементов фундаментов можно выразить в виде:

,

где, кроме обозначенных выше h_cf и h_s,

h_n - разность отметок пола первого этажа (±0,000) и пола подвала (высота подвала);

h_ц - высота цоколя: разность отметок ±0,000 и поверхности планировки DL.

Рекомендуется при выполнении задания сделать схематический рисунок фундамента с обозначением всех отметок (см. рис. 2.1). Он необходим и в дальнейшем для возможной корректировки глубины заложения и при разработке конструкции фундамента.

б)?Глубина заложения фундамента в зависимости от глубины промерзания назначается в соответствии с п. п. 5.5.3…5.5.7 [6]. В глинистых грунтах, мелких и пылеватых песках подошва фундамента должна закладываться ниже расчётной глубины сезонного промерзания в данном климатическом районе. Это позволяет исключить возможные неравномерные деформации сооружений, которые могут возникнуть в результате замерзания и морозного пучения этих грунтов под подошвой фундамента и после их оттаивания, так как оба этих процесса идут неравномерно по периметру здания. Величина морозного пучения зависит не только от температуры, вида и разновидности этих грунтов, но и расстояния от уровня подземных вод до глубины промерзания ([6], табл. 5.3; [1, 2], табл. 10.1; [3], табл. 5.2; [4], табл. 3.1. Приложение 1, табл. 10).

Расчётная глубина сезонного промерзания грунта d_f, м определяется по формуле:

,(3.1)

где - нормативная глубина промерзания;

- коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания. Для домов с подвалом или техническим подпольем .

Нормативная глубина промерзания d_fn - это среднее (за срок не менее 10 лет) значение максимальных глубин промерзания грунтов на открытой площадке, оголённой зимой от снега, а летом от растительного покрова. Нормативная глубина промерзания назначается по наблюдениям за сезонным промерзанием, по теплотехническим расчётам в зависимости от средней температуры воздуха в зимние месяцы. Нормативная глубина промерзания для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, определяется по формуле:

,(3.2)

Где М_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном климатическом районе. В Приложении 1, табл. 19 даны приближенные значения М_t. Более точно они могут быть определены по таблицам СП 131.13330.2012 Строительная климатология [18] (Табл. 5.1.) и по схематическим картам глубин промерзания грунтов.

d₀ - величина, м, принимаемая для суглинков и глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,30; крупнообломочных грунтов - 0,34.

При неоднородном сложении грунтов в пределах глубины промерзания d₀ определяется как средневзвешенная величина.

Приближенное значение d_fn можно принять по схематической карте нормативных глубин промерзания ([3], стр. 104; [4], стр. 34; [5], стр. 70; [15], стр. 158).

Полученная с учётом двух рассмотренных факторов наибольшая глубина заложения d далее уточняется, исходя из инженерно-геологических и гидрогеологических условий, если основание естественное.

Рис.II.1. Возможные варианты заглубления подошвы фундамента от низа поло подвала.: А)?Отдельные фундаменты. Б) Ленточные фундаменты.

DL - планировочная отметка; FL - отметка подошвы фундамента; h_s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента (до низа пола подвала); h_s - толщина пола подвала; d₁ - приведённая глубина заложения фундамента со стороны подвала; d_b - расстояние от планировочной отметки DL до пола подвала; h_п - разность отметок пола 1-ого этажа (+0,000) и пола подвала; h - высота: плиты ленточного фундамента (Б); 7 - отдельного одноблочного стаканного типа; отдельного составного (опорная плита 8 с подколонником 9) (А); h_пл - высота (толщина) опорной плиты отдельного составного фундамента.

1 - надподвальное перекрытие (пол первого этажа); 2 - пол подвала; 3 - стена подвала (стеновая часть ленточного фундамента);4 - колонна; 5 - ограждающая панель, образующая стену повала в каркасном здании; 6 - опорная лита ленточного фундамента; 7 - отдельный одноблочный фундамент; 8 - опорная плита в отдельном составном фундаменте; 9 - подколонник в отдельном составном фундаменте.

в) Уточнение по инженерно-геологическим условиям имеет целью обеспечить опирание подошвы фундаментов на грунтовый слой (рабочий несущий слой) с достаточно высоким расчётным сопротивлением R₀. Чем больше R₀, тем меньшая площадь подошвы фундамента требуется для его надёжного опирания на грунт, так как она подбирается по условию р_II?R, где p_II - среднее давление под подошвой фундамента. Подошва фундамента должна быть заглублена как минимум на 10…15 см ниже кровли рабочего слоя. Для этого иногда может потребоваться изменение ранее полученной глубины заложения. Возможно также для этой цели изменение планировочной отметки. В случае залегания под рабочим слоем слабого подстилающего слоя, подошва фундамента должна закладываться, как об этом уже говорилось при рассмотрении вопроса о привязке сооружения к инженерно-геологическому разрезу, выше кровли слабого слоя на расстоянии, обеспечивающем выполнение условия проверки допустимости давления передаваемого на подстилающий слой, но не менее чем на 0,7…1,0 м.

Глубина заложения, полученная из конструктивных особенностей здания и увязанная с планировочной отметкой, не должна корректироваться по инженерно-геологическим условиям, так как слабый грунт улучшен или заменён песчаной подушкой, верх которой должен находиться на отметке подошвы фундамента, определённой из конструктивных соображений. Поскольку материал подушки (песок крупный или средней крупности) не обладает пучинистыми свойствами, то не следует изменять глубину заложения также и по условиям промерзания.

г)?Учёт гидрогеологических условий сводится к тому, чтобы подошва фундамента по возможности находилась выше уровня подземных вод. Это облегчит решение вопроса о гидроизоляции фундаментов и подвального помещения и позволит обойтись без водоотлива из котлована при проведении работ нулевого цикла. Для достижения этой цели возможен подъем планировочной отметки DL за счёт подсыпки и соответствующий подъем отметки подошвы фундаменты FL, но при условии, что и после подъёма фундаменты будут опираться на надёжный грунт.

Полученная с учётом рассмотренных четырёх факторов глубина заложения фундамента d позволяет предварительно определить высоту стеновой части фундамента (высоту стены подвала).

Наружная стена, опирающаяся на ленточный фундамент монтируется из стеновых бетонных блоков ФБС ([17], п. 3.3, табл. 3.3) с перевязкой швов блоков и фундаментных плит ([3], стр. 146, рис. 6.11…6.14). Стеновые блоки имеют разную высоту и ширину. Высота основного стенового блока 58 см, с учётом толщины растворного шва - 60 см. Доборные блоки имеют высоту 28 см, с учётом шва - 30 см. Они используются тогда, когда целым числом основных блоков нельзя образовать необходимую высоту стены подвала. С этой же целью можно использовать несколько рядов кирпичной кладки. Ширина стеновых блоков разная: 30, 40, 50 и 60 см. В проекте она принимается в зависимости от нагрузки, ширины стены, условий, в которых находиться стена подвала в период эксплуатации. Блок должен выдерживать нагрузку от сооружения. Он должен иметь ширину близкую к ширине стены. Не допускается, если он будет меньше ширины стены более, чем на 15 см. В условиях сильно увлажнённых или водонасыщенных грунтов особо учитывается вопрос долговечности конструкции, а поэтому предпочтительнее блоки шириной 60 или 50 см.

Стены подземных помещений крупнопанельных каркасных зданий монтируются из ограждающих подвальных панелей. Нагрузка от собственного веса панелей передаётся на фундаменты наружных колонн, на которые панели опираются. Горизонтальное активное давление грунта обратной засыпки, воспринимаемое панелями, передаётся на колонны каркаса через короткие торцевые края панелей, приваренных к колоннам с помощью закладных деталей (рис. 5.2).

3.1 Определение размеров подошвы фундамента

Площадь подошвы фундамента подбирается из условия

p_II ?R,(3.3)

где p_II - среднее давление на грунт под подошвой фундамента от расчётной нагрузки второго предельного состояния;

R - расчётное сопротивление слоя грунта, на который опирается подошва фундамента, вычисляемое по формуле (5.7) СП [6]. Она приведена также в [1], стр. 154, 155; 258…262; [2], стр. 141…142; 236…239, формула (9.5); [3], стр. 109, формула (5.3); [4], стр. 43, формула (4.8); [5], стр. 75, формула (5.29), а также в примерах 3…7.

Это условие должно выполняться потому, что зависимость осадки s от давления p_II аппроксимируется линейной зависимостью до значения p_II =R, после чего она становится нелинейной ([1], стр. 149, рис. 6.1 а; [2], стр. 137, рис. 6.1 а). Поэтому при p_II>R, утрачивается возможность расчёта напряжений и деформаций в основании по модели линейного деформирования грунта (теории упругости). Применение этой теории возможно только при соблюдении условия p_II ?R, что и предписывается СП [6].

Задача по подбору величины площади подошвы фундамента решается методом последовательных приближений (итераций). Целесообразно использовать графическую форму ее решения, когда требуемое (искомое) значение ширины фундамента b_Т находят на пересечении прямой R=f(b) и кривой p=f(b) (примеры 3…7, рис.3.1…7.1).

Напомним, что у ленточного фундамента площадь подошвы A=b·1 пог.м, т.к. нагрузки (N_II - от собственного веса сооружения, Q_II - фундамента и G_II - грунтовой пригрузки на нем) собираются с 1 погонного метра длины здания. Площадь подошвы отдельного квадратного фундамента A=b², прямоугольного A= b·l, где

длина l выражается через ширину b; например l=1,2b или l=1,5b. Соответственно A=1,2b² или A=1,5b² и тогда , или .

По найденной на пересечении графиков ширине b_Т, требуемой для выполнения условия (3.3), принимается марка стандартной железобетонной плиты сборного ленточного фундамента ([17], п. 3, табл. 3.1) или марка отдельного железобетонного фундамента под колонну ([17], п. 2, табл. 2.1) со стандартной шириной b, ближайшей к найденной ширине b_Т. Марки сборных фундаментных конструкций наряду с данными о размерах в плане включают их высоту h, что позволяет утонить h_s и окончательно откорректировать глубину заложения d, привязку к инженерно-геологическому разрезу, а также полностью доработать конструкцию фундамента (примеры 3….7).

Последние цифры - 1, 2, 3, 4 в маркировке железобетонных плит ленточных сборных фундаментов ([17], табл. 3.1) обозначают их несущую способность как конструкции, т.е. численное значение величин максимального реактивного давления на них со стороны грунта, при котором они, в соответствии с их армированием, могут использоваться: 1 - при давлении до 150 кПа; 2 - до 250 кПа; 3 - до 350 кПа и 4 - до 450 кПа. То же обозначают последние цифры в маркировке фундаментов под колонны ([17], табл. 2.1).

После окончательной разработки конструкции с учётом всех элементов фундамента (опорной плиты, наружных стен подвала, колонн, гидроизоляции) определяется собственный вес фундамента Q_II, вес грунтовой и другой пригрузки на нем в контурах плана фундамента G_II, рассчитывается давление p_II под подошвой фундамента по формуле:

(3.4)

и проверяется выполнение условия p_II ?R. При этом уточняется величина R по формуле (7) [6] в связи с заменой требуемой ширины bT на принятую стандартную ширину b, а также возможным изменением первоначальной глубины заложения d и соответственно d₁, в зависимости от h_s и высоты h принятой подушки или отдельного фундамента.

Конструкция фундамента должна быть изображена на расчётной схеме, выполненной на миллиметровке со всеми размерами и высотными относительными и абсолютными отметками (рис. 3.2…7.2 в примерах 3…7).

Условие p_II ?R должно выполняться с максимальным приближением давления p_II к расчётному сопротивлению Rиз соображения получения минимально допустимого, то есть экономичного, размера площади подошвы.

Если разница между p_II и R окажется достаточно большой (15…20%), нужно поменять принимавшиеся в расчёте типовую подушку или отдельный фундамент на другие, меньшей ширины (площади), и заново проверить выполнение условия p_II ?R. Так как шаг размеров ширины подушек и отдельных фундаментов достаточно большой - 0,2 и 0,4 м, то возможно, что при переходе на меньший их размер давление p_II окажется больше R. В таком случае следует вернуться к предыдущему размеру независимо от того, насколько p_II будет меньше R, либо, если фундамент ленточный, сделать его прерывистым. Проектирование прерывистого фундамента возможно в случае, когда уровень подземных вод находится ниже подошвы фундамента и грунт имеет модуль деформации E?25000 кПа (Пример 3).

Пример 3. Ленточный фундамент наружной стены здания с подвалом

Необходимо запроектировать фундамент под наружную стену 8-этажного здания с подвалом в городе Москве. Ширина наружных стен 0,4 м. Расчётная нагрузка по второму предельному состоянию, собранная до верхнего обреза фундамента равна N_II=г_fЧ(N_п+N_b)=1,0Ч(565+14)=579 кН/пог.м.

Отметка пола подвала -2,50 м. Отметка пола 1-го этажа ±0,000 на 0,9 м выше планировочной. Грунты основания: I слой - насыпь неслежавшаяся мощностью 1,0 м, расчётная величина удельного веса грунта г_II = 16 кН/м³. II слой мощностью 4,3м, I_L = 0,3 - тугопластичный суглинок, R₀=254 кПа, г_II = 20 кН/м³, удельный вес твёрдых частиц г_s =26,8 кН/м³, естественная влажность w=0,2, расчётное значение угла внутреннего трения ц_II=21°, расчётное значение удельного сцепления с_II = 22,0 кПа. Прочностные характеристики ц_II и с_II определены по результатам непосредственных испытаний грунта. III слой - песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой, R₀=400 кПа. Вскрыт бурением до глубины 15 м.

1.?Определяется глубина заложения фундамента с учётом:

а)?конструктивных особенностей подземной части здания (рис. 3.1).

d=2,5 + 0,2 + (0,3…0,5)-0,9=2,1…2,3 м



Рис 3.1 Конструктивная схема подземной части здания.

Толщина (высота) опорной плиты, в зависимости от ее ширины b, по результатам дальнейших расчётов может измениться от 0,3 до 0,5 м.

б)?климатических условий района строительства (глубины промерзания).

Расчётная глубина сезонного промерзания грунта d_f определяется по формуле:

,

где - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания. При t = +10⁰ С в подвале =0,6 ([6], п. 2.28);

d_fn - нормативная глубина промерзания

,

d₀ =0,23 - суглинок ([6], п. 2.27).

М_t=30 - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в Москве (СП по строительной климатологии и геофизике).

,

.

в)?инженерно-геологических условий площадки застройки.

Под верхним метровым слоем насыпи неслежавшейся залегает слой тугопластичного суглинка мощностью 5,0 м, имеющий расчётное сопротивление R₀=254 кПа.

Проверяем возможность использования его в качестве рабочего слоя при максимальной ширине стандартной фундаментной плиты b=3,2 м и нагрузке N_II=579 кН/пог.м, используя формулы (I.4) и (I.2):

Опирание фундамента на этот слой по проведённому предварительному расчёту возможно с подушкой меньше максимального стандартного размера, так как

p_II < R₀ (222,9 кПа < 254 кПа).

...