Общие положения об определении основных размеров фундамента
|
Являясь несущей конструкцией сооружения, фундамент должен обладать достаточной прочностью и устойчивостью для восприятия действующих на него нагрузок. Поэтому при проектировании следует производить расчет собственно фундамента, т. е. назначать размеры фундамента, исходя из прочностных свойств его материала. С другой стороны, размеры фундамента должны быть такими, чтобы передаваемые на грунт давления не превышали допускаемых значений, определяемых свойствами грунта, его прочностью и сжимаемостью. Следовательно, проектирование фундамента является комплексной задачей, включающей расчет основания и собственно фундамента. При проектировании фундамента необходимо учитывать следующие факторы: - конкретные инженерно-геологические и гидрогеологические условия; - конструктивные особенности фундамента и всего сооружения в целом; - способ производства работ. Первый фактор определяет необходимую глубину заложения подошвы и внешние размеры фундамента. При выборе необходимой глубины заложения, исходя из свойств грунтов основания, обычно руководствуются следующими соображениями. Для уменьшения материалоемкости глубину фундамента следует принимать минимальной. В то же время может оказаться экономически целесообразным увеличить глубину заложения и устраивать фундамент на более прочном грунте, что позволит уменьшить его размеры, а значит и общий расход материала. С другой стороны, при назначении глубины заложения следует учитывать уровень подземных вод и особые свойства грунта (например, его пучинистость). Для удобства производства работ подошву фундамента целесообразно располагать выше уровня подземных вод. Учитывая особые свойства грунта, подошву фундамента необходимо размещать ниже глубины промерзания, Наконец, во многих случаях глубина заложения определяется наличием подземных коммуникаций, расположенных рядом фундаментов и т. д., т. е. зависит от конструктивных особенностей здания. Основной частью расчета оснований является назначение давления, передаваемого фундаментом сооружения на грунт. Расчет оснований, как и строительных конструкций, базируется на методе предельных состояний, т. е. состояний, при которых проектируемая конструкция или сооружение в целом перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при их возведении. В настоящее время для фундаментов установлены две группы состояний: 1) непригодность к эксплуатации; 2) непригодность к нормальной эксплуатации. Нормальной считается эксплуатация, осуществляемая в соответствии с предусмотренными в нормах или задании на проектирование технологическими или бытовыми условиями. Таким образом, предельные состояния подразделяют по степени потери эксплуатационной пригодности конструкции или сооружения. При этом предельные состояния, определяемые деформациями, могут относиться как к первой, так и ко второй группе в зависимости от степени потери эксплуатационной пригодности: полностью исключают возможность эксплуатации сооружения (первая группа) или создают затруднения для нормальной эксплуатации (вторая группа). Крайним случаем потери эксплуатационной способности является потеря несущей способности конструкции или основания. Цель расчета по предельным состояниям состоит в предотвращении их наступления при эксплуатации (в течение всего заданного срока службы сооружения) и возведении. При этом обеспеченность от наступления предельных состояний должна соответствовать степени их опасности. Надежность расчета оснований и конструкций по предельным состояниям достигают введением расчетных коэффициентов, отражающих возможные изменения свойств грунтов и материалов, изменчивость нагрузок и воздействий, условия работы, отличие характеристик грунтов в массиве от получаемых при испытании отдельных образцов, значимость последствий наступления предельных состояний и т. д. Таким образом, указанные расчетные коэффициенты учитывают как статистические, так и нестатистические факторы. Отмеченные общие положения расчета по предельным состояниям полностью используют при расчете оснований, который отличается от расчета строительных конструкций. Это отличие обусловлено следующими факторами: - грунт основания представляет собой сложную трехфазную систему (минеральная часть, вода и газы), деформация которой после приложения нагрузки протекает длительное время; - при воздействии внешних факторов возможно возникновение явлении, приводящих к изменению свойств грунтов; свойства грунтов меняются и под воздействием внешней нагрузки; - основание представляет собой массив, работающий как единое целое; - сжимаемость нескальных грунтов на несколько порядков превышает сжимаемость конструкционных строительных материалов, используемых при возведении сооружении. Расчет оснований по предельным состояниям производят по двум предельным состояниям — но несущей способности и по деформациям. Очевидно, что потеря несущей способности основания приводит к полному нарушению эксплуатационной пригодности сооружения, вплоть до его разрушения. Однако полной потере несущей способности основания предшествуют деформации грунта в результате его уплотнения под действием нагрузки, передаваемой от сооружения Указанные деформации основания могут влиять на условия эксплуатации сооружения. В этом случае состояние основания можно рассматривать как предельное, если надземные конструкции перестают удовлетворять эксплуатационным требованиям. Следует подчеркнуть, что деформации основания в зависимости от их величины могут привести как к полному разрушению надфундаментных конструкций, так и к нарушению их нормальной эксплуатации. Учитывая изложенное выше, расчет по первому предельному состоянию, т е по несущей способности, приобретает смысл в том случае, когда деформации, предшествующие наступлению этого предельного состояния, будут незначительны либо не будут вызывать разрушения несущих конструкций. В самом деле, осадки сооружения, возведенного на скальном грунте, незначительны, что не влечет нарушения эксплуатации сооружения; только полное разрушение основания приводит к потере устойчивости сооружения. Здание, расположенное на откосе, может нормально эксплуатироваться даже при значительном перемещении всего откоса, однако полная потеря устойчивости откоса приведет и к полному разрушению самого здания. Отсюда следует, что расчет по несущей способности основания следует производить в особых случаях. Известно, что от нагрузки, передаваемой фундаментом, грунт будет сжиматься и произойдет осадка фундамента, а значит, перемещение опирающихся на него конструкций сооружения. Так как осадки различных по размерам фундаментов будут неодинаковы, это приведет к неравномерным осадкам сооружения. При этом величина осадки и ее неравномерность будут тем больше, чем более сжимаем грунт, чем больше действующая нагрузка и чем больше вариантность форм и размеров фундаментов. Неравномерные осадки вызывают в конструкциях сооружения дополнительные усилия. Очевидно, что при одинаковых неравномерных осадках в зависимости от прочности и жесткости конструкции деформации и усилия в них будут различными. В то же время различные по жесткости сооружения будут оказывать разное влияние на грунт, так как в системе основание — фундамент — здание все элементы работают во взаимодействии Рассмотрим совместную работу различных сооружений с грунтом основания. Гибкое сооружение следует за деформациями основания, вызываемыми нагрузкой, и приспосабливается к ним. В этом случае, несмотря на деформации (перемещения) конструкций, дополнительные усилия в них практически не возникают. К гибкий можно отнести одноэтажные цехи, т. е. сооружения, возводимые из колонн на самостоятельных фундаментах с шарнирным опиранием балок (ферм) покрытия. Такие сооружения могут переносить определенные осадки без нарушения их эксплуатационной пригодности. В отличие от гибких жесткие и при этом достаточно прочные сооружения, в которых отдельные конструкции не могут смещаться относительно одна другой, следуя за деформациями основания, не искривляются. В результате в основании таких сооружений происходит перераспределение напряжений и выравнивание деформаций. К этой группе можно отнести массивные опоры мостов, силосные башни, доменные печи и другие сооружения. Жилые кирпичные здания являются относительно жесткими; следуя за деформациями основания, они частично выравнивают их, а в конструкциях при этом появляются дополнительные усилия. Таким образом, величина осадки и ее неравномерность зависят не только от сжимаемости грунта, действующей нагрузки, размеров и формы фундамента, но и от жесткости всего здания в целом. Поэтому лишь рассмотрение совместной работы всей системы позволяет найти правильное решение. При этом фундамент нельзя рассматривать только как конструкцию, распределяющую нагрузку до допускаемого значения. В то же время следует помнить, что возможность появления растягивающих усилий в здании зависит не только от его жесткости. Если относительно жесткое сооружение, например кирпичный жилой дом, возводят на скальном основании, деформации которого будут практически равны нулю, то в сооружении никаких дополнительных усилий не появится. Ho если это же здание воз водят на сжимаемом основании, то в нем неизбежно появятся растягивающие усилия, тем большие, чем более сжимаем грунт. При определенной степени сжимаемости дополнительные усилия могут превзойти значение, допускаемое для данной конструкции, что приведет к ее деформации. Сооружение, обладающее определенной жесткостью и прочностью, может сохранять свою эксплуатационную пригодность лишь при неравномерностях осадок, обусловленных податливостью основания. Отсюда следует, что между жесткостью и прочностью сооружения, с одной стороны, и податливостью основания, с другой, должно соблюдаться определенное соотношение, нарушение которого приводит к появлению деформаций в здании. Поэтому при проектировании фундаментов нужно руководствоваться следующими положениями: - достигать необходимого соотношения между жесткостью и прочностью сооружения и сжимаемостью грунта уменьшением податливости основания до такого значения, при котором возникающие дополнительные усилия будут безопасны для наземных конструкций; - изменять конструкцию наземной части здания таким образом, чтобы при возможных неравномерных деформациях основания устойчивость и эксплуатационная пригодность здания не нарушились. На практике применяют как первое, так и второе положения и, кроме того, возможно их сочетание. При применении первого положения податливость основания уменьшают путем изменения свойств грунта химическим или другим способом или путем его уплотнения. При осуществлении второго положения сооружению придают такие жесткость и прочность, при которых оно будет перераспределять напряжения в основании и выравнивать осадки, или устраивают шарнирные опирания, осадочные швы и пр., вследствие чего увеличиваются гибкость сооружения и его приспособленность к неравномерным осадкам. Кроме того, в зданиях, обладающих определенной жесткостью, например в жилых, можно увеличить прочность конструкций, что позволит полностью воспринять появившиеся дополнительные растягивающие усилия. Таким образом, фундаменты должны быть запроектированы с учетом конструкций наземной части, т. е. следует так выбрать их форму и размеры, чтобы сооружение в целом не получило повреждений вследствие чрезмерных деформаций оснований. |
