Размеры подошвы фундаментов
|
Расчет оснований по деформациям. Размеры фундаментов назначают, исходя из условия, что среднее давление по его подошве не превышает значений, при которых нарушается эксплуатационная пригодность сооружения. Это обеспечивается расчетом основания, как отмечалось ранее, по двум предельным состояниям. При этом для нескальных грунтов основным предельным состоянием является второе, т. е. расчет по деформациям. Таким образом, размеры фундаментов назначают из условия обеспечения таких осадок, которые не превышают предельных для данного сооружения, т. е. при расчете основания по деформациям:  Условие (4.7) можно выполнить не только путем подбора определенных размеров подошвы фундамента, как указывалось выше, но и путем улучшения свойств грунтов основания, например уплотнением или закреплением. Кроме того, можно осуществить дополнительные конструктивные мероприятия в сооружении, позволяющие увеличить предельные значения деформации. Следовательно, расчет основания по условию (4.7) сводится к комплексному решению задачи по выбору оптимального основания и конструкции сооружения с целью получения фундамента, экономичного как по стоимости, так и по трудоемкости возведения. При расчете оснований фундаментов должны рассматриваться различные виды совместной деформации основания и сооружения. Абсолютная осадка отдельного фундамента si, являющаяся средней величиной вертикального перемещения, определяется от среднего давления по его подошве. Эта величина используется для нахождения средней осадки, крена и прогиба (или выгиба) сооружения, а также неравномерности осадок фундаментов. Среднюю осадку сооружения s вычисляют по формуле  При подсчете средней осадки используют абсолютные осадки фундаментов, наиболее характерных по передаваемым нагрузкам, форме, размерам и глубине заложения. В простейших случаях расчет средней осадки осуществляют по осадкам не менее трех фундаментов. Действующие нормы регламентируют средние предельные осадки для всех видов сооружения. Поэтому проверку по условию (4.7) на этот вид деформаций следует производить для всех сооружений и на ее основе в необходимых случаях осуществлять выбор строительных мероприятий, уменьшающих деформации основания или чувствительность сооружения к ним. Крен фундамента или сооружения определяют как разность осадок крайних точек, отнесенную к соответствующем у размеру. Этот вид деформаций характерен для плитных фундаментов и жестких сооружений. В относительно жестких сооружениях, например многоэтажных бескаркасных зданиях с несущими стенами, возможно появление крена и поэтому они также должны проверяться по этому виду деформаций  Относительная неравномерность осадки характерна в основном для сооружений с отдельными фундаментами, для которых и производится проверка по этому виду деформаций. Вычисляется эта величина как разность абсолютных осадок отдельных фундаментов, отнесенная к расстоянию между их осями. Относительный прогиб (выгиб) фундамента или сооружения представляет собой отношение стрелы прогиба (выгиба) к длине рассматриваемого участка. Этот вид деформации характерен для относительно жестких сооружений, например, таких, как жилые и гражданские здания с несущими стенами. На рис 4.1 показан поперечный разрез сооружения, имеющего ленточные фундаменты, и их осадки. В данном случае крен сооружения можно определить по формуле  Относительная неравномернось осадки фундаментов Ф-1 и Ф-2 равна:  Для рассматриваемого случая прогиб будет равен:  Величину x определяют из выражения  Относительный прогиб сооружения в поперечном направлении вычисляют по формуле  Для расчета вертикальной деформации основания фундаментов шириной до 10 м используют расчетную схему в виде упругого линейцо-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи. Осадку определяют методом послойного суммирования в пределах сжимаемой толщи. Расчет осадки производят от среднего давления, передаваемого фундаментом р, за вычетом природного давления от веса грунта до разработки котлована. Среднее давление от максимальной из возможных комбинаций расчетной нагрузки вычисляют при коэффициенте надежности по нагрузке, равном единице. При этом следует учитывать нагрузки, действующие на полы и соседние фундаменты. При расчете осадки фундамента с учетом сплошной равномерной нагрузки на полы схему распределения вертикальных давлений в основании ниже подошвы фундамента принимают аналогичной, показанной на рис. 4.2. Среднее давление на грунт под подошвой фундамента определяют по формуле  Осадку фундамента находят по формуле  Дополнительное вертикальное напряжение на глубине z от подошвы фундамента рассчитывают по формуле  Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине, где удовлетворяется условие  Расчетное сопротивление грунтов. Возможность применения решений теории упругости при расчете вертикальных деформаций грунтов обоснована H.М. Герсевановым. Однако указанный подход справедлив в пределах таких нагрузок, при которых наблюдается линейная зависимость между деформациями и напряжениями. Многочисленными экспериментами, проведенными на песчаных и глинистых грунтах, показано, что в пределах определенного диапазона давлений по подошве опытных фундаментов между этими параметрами наблюдается практически линейная зависимость. Наблюдения за осадками сооружений также подтверждают достаточно удовлетворительное совпадение расчетных данных, полученных по формулам теории упругости, с наблюдаемыми в натуре Расчетное сопротивление грунта основания определяют по формуле  Формула (4.19) базируется на решении Н.П. Пузыревского, позволяющем определить давление на основание, при котором в массиве грунта под краями фундамента образуются зоны предельного равновесия. Принято считать, что формулы теории линейно-деформируемых тел можно использовать для определения напряженного состояния основания при условии, что глубина зон местного нарушения прочности грунта под краем фундамента не превышает 0,25 ширины фундамента.  Формула (4.19) по своей структуре отличается от решения Н.П. Пузыревского тем, что введен дополнительный член, равный (Mq—1), учитывающий действие бытовой пригрузки грунта. При разработке котлована в известной мере сохраняется напряженное состояние грунта, обусловленное действием бытового давления грунта. При этом увеличивается предельное давление, при котором зоны местного нарушения под краем фундамента достигают величины, равной 0,25 ширины фундамента. Однако остаточное напряженное состояние зависит от глубины вскрываемого котлована и его ширины. Очевидно, что с увеличением глубины котлована, т. е. с возрастанием бытовой нагрузки, в рассматриваемом слое будет большее остаточное давление.  С другой стороны, это остаточное давление зависит от пригрузки, оказываемой откосом грунта высотой от дна котлована до уровня поверхности грунта. С увеличением расстояния от откоса влияние пригрузки грунта на остаточное давление будет уменьшаться и в конечном итоге сведется к нулю. Имеющиеся экспериментальные исследования показывают, что это влияние воз можно на расстоянии около 10 м от откоса котлована. Таким образом, можно считать, что остаточное давление, влияющее на предельное давление, сохраняется при ширине котлована около 20 м. При этом условно учитывают влияние пригрузки от природного давления грунта с толщиной слоя не более 2 м. Поэтому при на значении расчетного сопротивления грунта в основании фундамента, возводимого в котловане шириной до 20 м, в формулу (4.19) вводят указанный выше дополнительный член, значение которого зависит от глубины подвала db. Величину db принимают равной фактической глубине, но не более 2 м. При большей ширине котлована эффект остаточного давления будет незначителен, поэтому расчетное сопротивление грунта принимается с учетом влияния пригрузки грунта и конструкции пола, расположенного от подошвы до верха пола подвала. Если отметка планировки грунта выше отметки пола подвала (рис. 4.3, а), то для определения расчетного сопротивления основания фундамента наружных и внутренних стен при ширине подвала менее 20 м в формулу (4.19) подставляют соответствующие значения ширины фундамента b и b1 и значения d1 и db. При ширине подвала более 20 м как для наружных, так и для внутренних стен в формуле (4.19) учитывают только глубину d1, а значение db принимают равным нулю. При отметке планировки ниже пола подвала (рис. 4.3, б) яри определении расчетного сопротивления основания фундамента наружных стен независимо от ширины подвала в формуле (4 19) вместо величины d1 принимается величина d, а величина db=0. Для фундаментов внутренних стен берется величина d'1. При плитных фундаментах (рис. 4.3, в) в формуле (4.19) принимается d1=d, a db=0. Проведенные в последние годы натурные эксперименты и наблюдения за осадками зданий и сооружений показали, что линейная зависимость между деформациями и напряжениями наблюдается при больших значениях напряжений, вычисленных из условия образования краевых зон местного нарушения прочности грунта. При этом диапазон указанной линейной зависимости возрастает с увеличением прочностных и деформационных характеристик грунта, а также жесткости возводимого сооружения, что приводит к выравниванию деформаций основания. В связи с этим в формулу (4.19) введены дополнительные коэффициенты условий работы основания γc1 и совместной работы основания с сооружением γc2, которые позволяют увеличить расчетное сопротивление основания. К числу зданий и сооружений, имеющих жесткую конструктивную схему, можно отнести жилые и гражданские здания, выполненные из кирпича, блоков или панелей, междуэтажные перекрытия которых опираются на продольные и поперечные стены или только на поперечные стены при их шаге не более 3 м, а также здания монолитные или башенного типа на сплошной плите. Из промышленных сооружений к ним относятся башни, силосные корпуса, многоэтажные монолитные каркасные сооружения башенного типа на сплошной плите. При определении расчетного сопротивления основания следует учитывать степень достоверности определения расчетных характеристик грунта. Наиболее надежные результаты могут быть получены при непосредственных испытаниях грунта в лабораторных или полевых условиях. Поэтому при использовании результатов таких определений в формуле (4.19) принимают коэффициент надежности k, равный единице. Однако при вычислении величины R не исключается возможность использования характеристик грунта, определенных по косвенным данным, без проведения испытаний, на основе статистически обоснованных таблиц. В этом случае, используя простейшие физические характеристики грунта, определяют прочностные его значения — сцепление и угол внутреннего трения, которые используются для определения R. Очевидно, степень достоверности этих характеристик будет ниже определенных непосредственными испытаниями. Поэтому в данном случае в формулу (4.19) вводят коэффициент надежности k=1,1. При определении расчетного сопротивления грунта следует использовать его расчетные характеристики в пределах слоя, залегающего непосредственно ниже подошвы фундамента. Указанные характеристики находятся для слоя грунта толщиной z ниже подошвы фундамента: z=b/2 при b≤10 м и z=z1+0,1b при b≥10 м (здесь z1=4 м). Ha практике возможно залегание различных грунтов в пределах указанного слоя. В этом случае берут средневзвешенные значения характеристик грунтов, определяемые по формуле  Следует учесть, что плотность грунта должна определяться с учетом взвешивающего действия воды. При больших размерах фундамента краевые зоны предельного равновесия оказываются настолько значительными, что это может привести к местной потере устойчивости. Этому способствует и незначительная боковая пригрузка от действия обратной засыпки грунта. Это обстоятельство вынуждает принимать меньшие по глубине зоны предельного равновесия при больших размерах подошвы фундамента. Уменьшение размеров зон приводит к снижению R, что учитывают, вводя в первый член формулы (4.19) коэффициент kz для фундамента, размеры которого превышают 10 м. В отдельных случаях фактическое среднее передаваемое давление на грунт может превышать расчетное сопротивление основания. В первую очередь это относится к малосжимаемым грунтам. Для таких грунтов фактическая осадка при давлении, превышающем расчетное сопротивление грунта, несущественно отличается от осадки, полученной исходя из линейной зависимости между деформациями и напряжениями. Эта разница практически несущественна при давлениях, превышающих R в пределах 20 %. Поэтому можно увеличить расчетное сопротивление основания в 1,2 раза для случаев, когда фактическая осадка фундамента, рассчитанная при давлении, равном R, не превышает 40 % предельно допустимых значений для рассматриваемого сооружения. Наконец, расчетное сопротивление может приниматься повышенным для прерывистых фундаментов и для фундаментов, имеющих вырезы в углах. При определении фактического давления, передаваемого на грунт основания, необходимо учитывать не только давление по подошве фундамента от передаваемых на него нагрузок, но и давление от действия равномерно распределенной нагрузки на полы. При действии сплошной равномерно распределенной нагрузки на полы q давление на грунт под подошвой увеличивается на эту величину. При действии местной нагрузки интенсивностью q в виде полосы шириной а краевые и среднее давления по подошве фундамента возрастают на величину kq. Коэффициент kq, принимаемый по табл. 4.9, зависит от соотношений координат рассматриваемой точки подошвы фундамента и ширины грузовой площади нагрузки, действующей на поверхности пола.   Предварительные размеры фундамента можно определять, используя условные расчетные сопротивления грунтов основания, приведенные в табл. 4.10—4.12. Эти значения R0 относятся к фундаментам шириной b0=1 м и глубиной заложения от уровня планировки d0=2 м. Условные значения R0 допускается использовать для определения окончательных размеров фундаментов сооружений III класса, возводимых на основаниях, сложенных практически горизонтальными слоями грунта, имеющими одинаковую толщину, при этом модуль деформации грунта не уменьшается с глубиной. Кроме того, значения R0 можно применять для просадочных грунтов при назначении размеров фундаментов, малочувствительных к неравномерным осадкам сооружений (при отсутствии в них мокрых технологических процессов), а также при насыпных грунтах для легких сооружений.  В случае использования табличных значений R0 при определении окончательных размеров фундаментов расчетное сопротивление грунта основания находят по формулам:  При вычислении значений R0 по формуле (4.22) для зданий с подвалами глубину заложения d следует принимать не более Размеры подошвы фундамента определяют в такой последовательности: - по результатам инженерно-геологических изысканий принимают расчетные значения характеристик грунта: угла внутреннего трения, удельного сцепления, модуля деформации и удельною веса, а также показателя текучести, коэффициента пористости, плотности грунта в сухом состоянии и степени влажности (при насыпных грунтах); - по табл. 4.10—4.12 назначают условное расчетное сопротивление грунта основания R0; - определяют ширину подошвы по формуле  При малых значениях эксцентриситета» вычисленных по формуле  размеры подошвы внецентренно нагруженного фундамента определяют» как при центральном загружении. После определения размеров фундамента при внецентренной нагрузке проверяют выполнение следующих условий. Во-первых, при действии момента в одном направлении давление под наиболее нагруженной гранью фундамента не должно превышать 1,2 R, т. е.  При действии момента в двух направлениях давление в угловой точке, где действует наибольший момент, не должно превышать  При действии нагрузки на полы напряжения, вызванные ею, также учитывают в формулах (4.26) и (4.27). Выполнение указанных требований обусловлено тем, что возрастание краевого давления приводит к увеличению зоны местного нарушения прочности грунта. При этом существенно возрастает нелинейность зависимости осадка — напряжение, что обусловливает невозможность применения формул для расчета осадки, основанных на теории упругости. Кроме того, наличие увеличенных по глубине указанных зон под краем фундамента вызывает появление недопустимого крена, что, в свою очередь, неблагоприятно сказывается на работе надземных конструкций.  Во-вторых, форма эпюр контактных давлений должна соответствовать одной из трех, приведенных на рис. 4.4. Так, для фундаментов сооружений, оборудованных кранами грузоподъемностью 75 т и выше, а также для фундаментов эстакад с кранами грузоподъемностью более 15 т при любых грунтах или для всех фундаментов, возводимых на грунтах, имеющих расчетное сопротивление менее 0,15 МПа, следует принимать трапециевидную эпюру давления (см. рис. 4.4). При этом должно соблюдаться условие pmin/pmax≥0,25. В остальных случаях для фундаментов сооружений с кранами, а также для ленточных фундаментов под колонны или несущие стены допускается треугольная эпюра давлений при pmin=0 (см. рис 4.4). Для фундаментов бескрановых зданий, возводимых на грунтах с R≥0,25 МПа, допускается треугольная эпюра давления с нулевой ординатой на расстоянии 0,25 ширины фундамента от наименее нагруженной грани. В этом случае наибольшее давление под краем фундамента определяют по формуле  При этом должно соблюдаться условие  Указанные требования обусловлены двумя обстоятельствами. Первое состоит в обеспечении такого крена, при котором не возникает существенных дополнительных усилий в конструкциях. Второе заключается в обеспечении устойчивости основания, т. е. невозможности потери его несущей способности. Известно, что с увеличением эксцентриситета приложения нагрузки резко уменьшается несущая способность основания, а при больших эксцентриситетах среднее давление, передаваемое на грунт, оказывается значительно меньшим расчетного сопротивления основания. В результате этого существенно возрастает материалоемкость фундамента, т. е. он становится малоэкономичным. Так, при треугольной эпюре контактных давлений и при краевом давлении 1,2R среднее напряжение по подошве составляет 0,6 расчетного сопротивления основания. В случае треугольной эпюры с нулевой ординатой, расположенной от нагруженной грани на расстоянии 0,25 ширины фундамента, среднее давление по подошве составляет всего 0 45R. Осадку фундамента заданных размеров определяют по формуле и проверяют выполнение условия (4.7). В случае невыполнения этого условия увеличивают размеры подошвы фундамента. Расчет осадки можно не производить, если неоднородность основания, характеризуемая степенью изменчивости грунтов αE и определяемая как отношение наибольшего осредненного значения модуля деформации грунтов в пределах сооружения к наименьшему, будет меньше допустимой для данного сооружения Последнюю величину устанавливают на основе расчета конструкции при взаимодействии с основанием в зависимости от осредненного значения модуля деформации в пределах площади сооружения или от средней его осадки. Расчет осадки не производится для фундаментов зданий и сооружений, приведенных в табл. 4.13, если их возводят на грунтах, перечисленных в этой таблице.  Требования табл. 4.13 распространяются на сооружения всех классов. Поэтому для одно двухэтажных зданий, например, детских садов, которые относятся к I классу, расчет осадки производить не следует. В этом случае нет необходимости проводить испытания, в частности, штампами для определения модуля деформации грунтов. |
