2 принцип проектирования фундаментов

Обновлено: 28.04.2024

Рецензенты: А.А.Шкляр, директор департамента профессионального образования и науки Министерства образования Ульяновской области; Ю. В. Иванов, гл. инженер ООО «Цитрин».

Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия.

Пьянков, С. А., Азизов З.К.

П 87 Основания и фундаменты: учебное пособие / С. А. Пьянков, З.К. Азизов; Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск: УлГТУ, 2014. – 114 с.

Учебное пособие содержит материалы по дисциплине «Основания и фундаменты». Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 270800.62 «Строительство» профиля подготовки «Промышленное и гражданское строительство», изучающих дисциплину «Основания и фундаменты».

УДК 32.001(075)

ББК 66.0 я7

Ó Пьянков С. А., Азизов З. К., 2014

ISBN 5-89146-700-0 Ó Оформление. УлГТУ, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие положения проектирования оснований и фундаментов……. 5

1.1 Общие принципы проектирования оснований и фундаментов………………………..5

1.2 Последовательность проектирования оснований и фундаментов…………………. 6

1.3 Расчет оснований и фундаментов по предельным состояниям……………………….8

1.4. Общая оценка взаимодействия сооружений и оснований……………………………9

1.5. Материалы инженерно-геологических изысканий……………….………………….10

1.6. Выбор нормативных расчетных нагрузок и их сочетаний…………………………..11

1.7. Выбор типа и конструкции фундамента………………………………………………12

2. Фундаменты, возводимые в открытых котлованах……………………. 14

2.1. Конструкция фундаментов, их виды и порядок проектирования…………………..14

2.2. Выбор минимальной глубины заложения фундаментов…………………………….16

2.3. Предварительное назначение размеров подошвы фундаментов мелкого заложения…………………………………………………………………………………………………..20

2.4. Расчет фундаментов мелкого заложения……………………………………………..20

2.5. Определение расчетного сопротивления грунтов основания………………………..22

2.6. Учет подстилающего слоя слабого грунта……………………………………………25

2.7. Расчет размеров подошвы фундамента при наличии подвала………………………26

2.8. Расчет осадок фундаментов мелкого заложения методом послойного суммирования…………………………………………………………………………………………………..27

2.9. расчет оснований фундаментов мелкого заложения по несущей способности…….29

3. Свайные фундаменты, фундаменты глубокого заложения…………. 35

3.1. Свайные фундаменты, общие положения…………………………………………. 35

3.3. Конструкции забивных железобетонных свай и опыт их применения…………. 43

3.4. Новые типы фундаментных конструкций из свай……………………………………45

3.5. Расчет свайных фундаментов на прочность и трещиностойкость………………….49

3.6. Расчет свай по грунтовым условиям, общие положения…………………………….51

3.7. Исходные данные, последовательность расчета и проектирования……………………52

3.8. Определение глубины заложения ростверка………………………………………….53

3.9. Выбор типа свайного фундамента, выбор предварительных размеров сваи

и оценка условий ее работы в грунтовом массиве………………………..………………53

3.10. Определение несущей способности свай…………………………………………. 54

3.11. Определение числа свай и размещение их в плане ростверка……………………..57

3.12. Расчет свайных фундаментов и их оснований по деформациям…………………..59

3.13. Явления, происходящие при погружении свай и при их изготовлении в грунте…60

3.14. Фундаменты глубокого заложения……………………………. ………………..…62

4. Искусственное улучшение грунтов оснований…………………………….69

4.1 Искусственное улучшение грунтов оснований, общие положения………………….69

4.2. Конструктивные меры улучшения оснований………………………………………..71

4.3. Уплотнение грунтов оснований………………………………………………………..74

4.4. Закрепление грунтов оснований……………………………………………………….79

5. проектирование фундаментов в особых условиях……………………. 84

5.2. Устойчивость грунтов оснований при динамических воздействиях……………….87

5.3. Фундаменты при динамических воздействиях от промышленного

и хозяйственного оборудования…………………………………….……………………. 88

5.4. Фундаменты при сейсмических воздействиях……………………………………..…91

6. Обследование и усиление оснований и фундаментов.

Расчет фундаментов с использованием ЭВМ. ……………………………. 94

6.1. Обследование оснований и фундаментов………………………………………….….94

6.2. Возможности увеличения нагрузок, передаваемых на фундаменты без их усиления…. 95

6.3. Методы усиления фундаментов и оснований………………………………………..97

6.4. Расчет фундаментов с использованием ЭВМ…………………………………….…103

Библиографический список……………………………………………….……113

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основания и фундаменты» является частью группы дисциплин, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, устройством подземных коммуникаций, прокладкой трубопроводов.

Во многих случаях на выполнение работ нулевого цикла, включающих устройство оснований и фундаментов, затрачивается больше времени, чем на возведение сборных надземных конструкций зданий. Кроме того, стоимость этих работ иногда составляет до 40 % от общей стоимости сооружений, поэтому их удешевление дает вполне ощутимый эффект.

Надежность оснований и фундаментов и удешевление работ по их устройству в значительной степени зависят от умения правильно оценить инженерно-геологические условия площадок строительства, свойства грунтов в основаниях и совместную работу этих грунтов с деформирующимися фундаментами и конструкциями сооружения, от рациональности выбранных типов оснований, от качества выполнения работ.

Механика грунтов изучает проблемы напряженно-деформированного состояния, прочности, деформативности и устойчивости грунтовых массивов и определяет условия их использования в качестве оснований объектов строительства.

На закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретического курса, направлены практические работы и курсовое проектирование по курсу «Основания и фундаменты» [16, 17, 18, 19]. Их последовательность соответствует изложению важнейших вопросов дисциплины.

Настоящий курс является естественным продолжением курсов «Инженерная геология» и «Механика грунтов».

Общие положения проектирования оснований

И фундаментов.

Общие принципы проектирования оснований и фундаментов.

Основными принципами проектирования оснований и фундаментов являются:

1) проектирование оснований и фундаментов по предельным состояниям;

2) учет совместной работы системы основание – фундаменты – надземные несущие конструкции;

3) комплексный подход к оценке характера работы грунтов основания и выбора типа фундаментов в результате совместного рассмотрения:

а) инженерно-геологических и гидрогеологические условий площадки строительства; б) чувствительности конструкций сооружений к неравномерности осадок; в) способа выполнения земляных работ и работ по устройству фундаментов и подземных частей сооружения.

Совместные методы проектирования оснований, фундаментов и наземных конструкций практически не разработаны. Исключение составляют расчеты конструкций на упругом (сжимаемом) основании. Однако эти расчеты трудоемки и не позволяют учесть все особенности составной конструкции. Из-за отсутствия простых приемов совместного проектирования систему «основание – фундамент – наземная конструкция» рассматривают как состоящую из двух частей: «основание – фундамент» и «фундамент – наземная конструкция».

Проектирование части «основание – фундамент» ведется следующим образом. Применительно к инженерно-геологическим, природным и другим условиям строительной площадки и с учетом особенностей зданий и сооружений выбирают тип и предварительную конструкцию фундамента – фундамент в открытом котловане или глубокого заложения. Для фундаментов в открытых котлованах выбирают тип основания (естественное или искусственно улучшенное), а для фундаментов глубокого заложения – глубину погружения. Устанавливают условия залегания грунтов и определяют расчетные характеристики. Используя существующие расчетные схемы и формулы, применительно к выбранным типам оснований и фундаментов, определяют внешние размеры фундаментов, глубину их заложения, размеры и форму подошвы в плане, а затем и возможные их деформации. Значения деформаций сопоставляют с предельно допустимыми перемещениями конструкций проектируемых зданий и корректируют.

При проектировании части «фундамент – наземная конструкция» уточняются принятые размеры и конструкция фундамента. Фундамент рассчитывается как отдельный конструктивный элемент сооружения совместно с наземной конструкцией. Расчеты ведутся с учетом всех комбинаций нагружения и определяются наибольшие значения перемещений фундамента, которые сопоставляются с деформациями основания при тех же сочетаниях нагрузок. В процессе проектирования размеры и конструкции фундамента и наземной части сооружений могут быть откорректированы.

В итоге при проектировании последовательными расчетами надо добиться, чтобы деформации основания и перемещения фундамента были близки между собой и не превышали допустимые перемещения наземных конструкций.

Все это свидетельствует о сложности задачи проектирования оснований и фундаментов, поэтому рекомендуется разрабатывать несколько вариантов фундаментов и из них выбирать наиболее рациональное решение на основе технико-экономического сравнения. Такое решение обычно выбирают при проектировании наиболее загруженных, типичных для данного сооружения фундаментов. Затем производят расчет основания для каждого отдельного фундамента с целью определения его оптимальных размеров. Расчеты должны подтвердить, что осадки и их неравномерности не превосходят предельно допустимых величин для данного вида сооружений, грунты в основании и фундамент устойчивы, фундамент обладает требуемой прочностью.

Проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских сооружений производят в соответствии со СНиПами (Строительные нормы и правила) и СП (Своды правил). Кроме того, учитывают требования норм, технические указания и инструкции, разработанные для региональных грунтовых условий.

Расчет конструкции фундамента выполняют в зависимости от применяемого материала по первому предельному состоянию на прочность всех работающих элементов. Железобетонные фундаменты, подвергаемые воздействию агрессивных подземных и производственных вод, проверяют на трещиностойкость.

Основное внимание при проектировании оснований уделяется выбору глубины заложения и размеров подошвы фундаментов. Эти размеры фундаментов принимают, исходя из выполнения условий, согласно которым деформации не должны превышать предельных величин.

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах заключается в допущении протаивания грунта под зданием. Данный принцип осуществляется двумя методами: конструктивным и методом предпостроечного оттаивания. Рассмотрим эти методы подробнее.

Конструктивный метод заключается в приспособлении конструкций фундаментов и самих строений к неравномерной осадке оттаивающих грунтовых оснований.

Данный метод применяется в следующих случаях:

температура вечномерзлой толщи грунтов близка к «0°C»;

мёрзлый грунт при оттаивании становится относительно малопросадочным основанием S ≤ S_u (гравелистые, щебёночные или песчаные грунты).

Следует подчеркнуть, что в этом случае под зданием с течением времени эксплуатации в результате действия тепловых потоков здания, образуется чаша оттаивания в многолетней мерзлоте. Формирование чаши оттаивания может продолжаться десятки лет, что подтверждается теплотехническими расчётами.

Формирования чаши оттаивания в многолетней мерзлоте под пятном застройки здания при строительстве его по второму принципу.

В результате построенное здание будет находиться в условиях неравномерной осадки, возникает высокая вероятность развитие деформаций с образованием трещин в надземных конструкциях.

Для того чтобы здание могло удовлетворительно эксплуатироваться в подобных условиях должны быть выполнены условия по приспособлению его к неравномерным деформациям (повышение жёсткости здания).

Если величина проектных осадок окажется больше предельных величин, то переходят ко второму методу строительства, допускающего протаивание грунтов вечной мерзлоты под зданием.

29. Принципы строительства на просадочных грунтах

Обеспечение прочности и нормальной эксплуатации зданий и сооружений на просадочных грунтах достигается применением соответствующих принципов и методов строительства, которые основываются на учете природы, механизма просадочности, закономерности развития просадочных деформаций. При проектировании оснований, фундаментов и зданий на просадочных грунтах прежде всего учитывают возможность их замачивания и возникновения просадочных деформаций. Поэтому в тех случаях, когда исключается замачивание просадочных грунтов сверху или вследствие подъема уровня грунтовых вод и возможно лишь медленное повышение влажности до установившейся за счет застройки территории, основания и фундаменты проектируют как на обычных непросадочных грунтах. Подобные условия обычно имеют место при строительстве зданий и сооружений, необорудованных водопроводом и канализацией, у которых внешние сети и возможные источники замачивания расположены на расстояниях, больших полуторной величины просадочной толщи. При возможности и неизбежности замачивания просадочных грунтов в основании прочность и нормальная эксплуатация зданий и сооружений достигаются применением одного из следующих принципов: а) устранения просадочных свойств грунтов; б) прорезки просадочных грунтов глубокими фундаментами; в) комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, водозащитные и конструктивные мероприятия. Устранение просадочных свойств грунтов достигается применением различных методов уплотнения и закрепления и направлено на изменение природной структуры, повышение плотности, прочности, исключение просадочности грунтов и превращение их в обычные непросадочные грунты с более высокими значениями прочностных и деформационных характеристик. Основными методами уплотнения просадочных грунтов с I типом грунтовых условий по просадочности являются: поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками, вытрамбовывание котлованов, устройство грунтовых подушек, а на площадках со II типом: предварительное замачивание, в том числе с глубинными взрывами, глубинное уплотнение пробивкой скважин (грунтовыми сваями) и др. Закрепляют просадочные грунты однорастворной силикатизацией и обжигом.

Фундаменты, являются неотъемлемой частью любого здания и большинства сооружений, значительно отличаются по своей работе от остальных строительных конструкций. Задача фундаментов состоит в том что бы обеспечить передачу нагрузки от строения на грунты основания. Под воздействием нагрузок от сооружения грунт, в основном, работает на сжатие и на сдвиг, что приводит к деформациям основания и осадкам зданий.

Таким образом, задача проектирования во многом состоит в «приспособлении» сооружения к геологическим условиям площадки строительства и в комплексном рассмотрении системы «основание - фундамент - сооружение». Особенностью проектирования системы «основание - фундамент» является недостаток исходной информации, характеризующей основание в целом и каждого слоя в отдельности.

В связи с этим проектирование фундаментов всегда сопряжено с риском, оценить который не всегда представляется возможным. Вместе с тем ошибки при проектировании могут привести к потере устойчивости или развитию недопустимых деформаций основания сооружения.

В основу проектирования оснований и фундаментов заложены следующие принципы:

1) проектирование оснований сооружений по предельным состояниям;

2) учет совместной работы системы «основание - фундамент - сооружение»;

3) комплексный учет факторов при выборе типа фундаментов, несущего и подстилающих слоев основания в результате совместного рассмотрения, в том числе:

• инженерно-геологических условий площадки строительства;

• особенностей сооружения и чувствительности его несущих конструкций к неравномерным осадкам;

• методов выполнения работ по подготовке оснований и устройству фундаментов.

Комплексный взаимный учет всех этих факторов делает задачу проектирования и устройства фундаментов сложной и ответственной. Ошибки, допущенные при проектировании и возведении фундаментов, могут привести к проведению дополнительных мероприятий, значительно превышающих стоимость фундаментов.

Основные требования к проектированию оснований и фундаментов При разработке проектов фундаментов необходимо обеспечить:

• прочность и эксплуатационную надежность зданий и сооружений (деформации конструкций не должны превышать предельно допустимых величин);

• максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;

• минимальную стоимость, материалоемкость и трудоемкость устройства фундаментов;

• максимальное сокращение сроков строительства.

До 1962 г. фундаменты проектировали по допускаемым нагрузкам, а затем перешли к проектированию по предельным состояниям.

Сейчас в расчете оснований рассматриваются их предельные состояния по несущей способности (первое предельное состояние) и по деформациям (второе предельное состояние). При этом оба вида указанных состояний между собой, как правило, не совпадают. Часто оказывается, что несущая способность грунтов по устойчивости еще далеко не исчерпана, а в осадках фундаментов уже достигнуто предельное состояние их развития. Поэтому расчет оснований по деформациям обычно считается основным, а расчету устойчивости грунтов чаще придают проверочный характер.

Виды предельных состояний

Напряженно-деформированные состояния, при которых конструкции сооружений и их оснований перестают удовлетворять установленным нормативными документами требованиям, в результате чего становятся непригодными к эксплуатации, называют предельными состояниями и подразделяют на две группы.

Вторая группа по непригодности к нормальной эксплуатации — недопустимые перемещения трещины, колебания, затрудняющие нормальную эксплуатацию всего здания и сооружения или отдельных участков.

Расчет по деформациям(2 группа) заключается в выполнении

S – ожидаемая совместная осадка сооружения и основания по расчету;

S_U – предельно допустимая осадка основания и сооружения.

На величину S – влияет жесткость сооружения, уменьшая неравномерные осадки, однако до настоящего времени жесткость сооружения в расчет обычно не учитывается – что идет в запас расчета.

Под S – может быть: - абсолютная осадка;

- разность осадок; (ΔS)

- выгиб; кривизна; угол закручивания;

где a₁,a₂ ,a_n - количество одинаковых фундаментов, имеющих площади F₁ ,F₂ ,F_n - соответственно.

Опыт строительства показывает, что легкие здания в однородных грунтах при согласованном залегании слоев, сжимаемость которых с глубиной уменьшается, получают осадки в 2-3 раза меньше предельных, и тогда нет необходимости рассчитывать осадку.

Напомним также, что важнейшей предпосылкой применения методов расчета осадок, основанных на использовании положений теории линейного деформирования грунта, является ограничение среднего давления под подошвой фундамента р условием p≤R, где R— расчетное сопротивление грунтов основания.

Очевидно, что чем больше при прочих равных условиях будет величина R, тем большее давление под подошвой фундамента р может быть допущено. При постоянной нагрузке от сооружения на фундамент это приведет к уменьшению площади его подошвы, т. е. позволит принять более экономичное решение. Поэтому совершенствованию способов определения расчетного сопротивления грунтов основания в практике фундаментостроения уделяется большое значение.

где, γ_c1 – коэффициент работы грунтового основания (1,1 – 1,4)

γ_c2 - коэффициент работы здания или сооружения во взаимодействии с основанием (1,1…1,4 для здания с жесткой конструктивной схемой; 1 – для здания с гибкой конструктивной схемой).

k – коэффициент надежности (1,1 – при определение характеристик грунтов по косвенным данным); (1 – при определение характеристик грунтов по непосредственным данным).

M_γ; M_q; M_c - эмпирические коэффициенты, зависящие от φII (расчетное значение угла внутреннего трения).

b – меньшая сторона подошвы фундамента (м);

γ_II'- осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше отметки подошвы фундамента;

γ_II – то же, но залегающего ниже подошвы фундамента;

c_II – расчетное значение удельного сцепления;

d_b – глубина подвала (м);

d₁ –глубина заложения фундаментов без подвальных сооружений; приведенная глубина заложения для зданий с подвалом.

R – расчетное сопротивление грунта основания, это такое давление, при котором глубина зон пластических деформаций () равна 1/4b.

Для зданий III и IV класса можно не вычислять R, а принимать это значение по таблице СНБ. Там собраны и обобщены опытные данные, начиная с Российской империи.

В таблицах СНБ R₀ – называется условным расчетным сопротивлением (обычно используется для зданий с _b = 0,6…1,5 м и d = 1…2,5 м для грунтов, у которых сжимаемость с глубиной не увеличивается и пласты залегают горизонтально).

Первая группа — расчеты по несущей способности, призванные не допустить потери устойчивости формы или положения конструкции; хрупкое, вязкое или иного характера ее разрушение; возникновение резонансных колебании при динамических воздействиях; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести.

Проектирование по предельному состоянию по устойчивости, несущей способности (первое предельное состояние)

1. Наличие постоянно действующей горизонтальной составляющей

2. Основание ограничено нисходящими откосами

3.При проектировании анкерных фундаментов, работающих на выдергивание

4.При наличии в основании скальных пород

Расчет оснований и фундаментов по первой группе предельных состояний (по прочности и устойчивости) производится исходя из условия

где F— расчетное усилие на основание или фундамент при основном или особом сочетании нагрузок; F_U- сила предельного сопротивления основания (несущая способность); γ_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным для песков, кроме пылеватых, 1,0; для песков пылсватых, а также глинистых фунтов в стабилизированном состоянии - 0.9; для глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии - 0,85; для скальных фунтов невыветренных и слабовыветренных - 1,0, выветренных - 0,9, снльновыветренных - 0.8; γ_n - коэффициент надежности по назначению сооружений, принимаемый для сооружений 1 класса равным 1.20, II класса- 1,15 и III класса- 1,10.

Для скальных грунтов

R_c — расчетное значение временного сопротивления образца скального грунта сжатию в водонасыщенном состоянии.

N_n - вертикальная составляющая силы предельного сопротивления.

b / , l / - приведенные ширина и длина фундамента

Для однородных нескальных грунтов несущую способность находят аналитически

l_y I_n l_c - коэффициенты влияния угла наклона нагрузки

n_у n_q n_с - коэффициенты влияния соотношения сторон прямоугольного фундамента

Графоаналитический метод определения N_u с построением кругло цилиндрических поверхностей скольжения - применяется если:

- основание сложено неоднородными грунтами;

- величины пригрузок с разных сторон фундамента отличаются, > чем на 25%.

Недостатки проектирования фундаментов по R:

Выравнивание давления приводит к разной ширине подошвы фундамента и разной величине активной сжимаемой толще, значит и к разным (неравномерным) осадкам.

Правильнее проектирование вести по заданной (одинаковой) величине осадки с проверкой расчета по первому предельному состоянию, или расчет одновременно по двум предельным состояниям.

Назначение глубины заложения фундамента

При проектировании фундаментов (т.е. определения основных его размеров) необходимо обеспечить надежное существование сооружений.

Деформации оснований значительно больше деформаций конструкций здания (1/100; 1/200; 1/300 – пролета конструктивного элемента).

Осадки же фундаментов могут определяться десятками сантиметров. (Su = 30 см – для сооружений дымовых труб.)

Данное обстоятельство объясняется тем, что свойства грунтов значительно отличаются от подобных характеристик других строительных материалов:

для грунта Е₀ = 2…200 МПа, для конструкций Е =60010 3 МПа

т.е. грунт во много раз более деформируемый материал, и от его деформаций зависит состояние надземных конструкций.

Выбор глубины заложения фундаментов – очень важный момент в проектирование фундаментов.

Это определение прежде всего несущего слоя (пласта) грунта.

Нужно ли заглублять фундаменты?

Верхние грунты, как правило, слабые (почвенный слой + органические вещества).

Верхние слои грунта систематически получают перемещения (пучение, усадка, набухание)

Верхние слои грунта могут разрушаться, терять свою прочность. Происходит так называемый процесс выветривания; изменение механических характеристик грунта, что приводит к неожиданным неравномерным осадкам.

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах заключается в допущении протаивания грунта под зданиям. Данный принцип осуществляется двумя методами: конструктивным и методом предпостроечного оттаивания. Рассмотрим эти методы подробнее.

Данный метод применяется в следующих случаях:

температура вечномерзлой толщи грунтов близка к «0°C»;

мёрзлый грунт при оттаивании становится относительно малопросадочным основанием S ≤ Su (гравелистые, щебёночные или песчаные грунты).

Следует подчеркнуть, что в этом случае под зданием с течением времени эксплуатации в результате действия тепловых потоков здания, образуется чаша оттаивания в многолетней мерзлоте (см. схему). Формирование чаши оттаивания может продолжаться десятки лет, что подтверждается теплотехническими расчётами.

Схема формирования чаши оттаивания в многолетней мерзлоте под пятном застройки здания при строительстве его по второму принципу.

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах. Метод предпостроечного оттаивания

В данном случае уменьшение осадки оттаявших грунтов осуществляется путём предварительного уплотнения под действием собственного веса (см. метод электроосмоса в механике грунтов).

Метод предпостроечного оттаивания применяется в следующих случаях:

основание сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом состоянии грунты;

проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла (неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства зависит:

от особенностей возводимых сооружений;

геокриологических условий места постройки.

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

Нельзя сочетать эти принципы, как для соседних зданий и сооружений, так и для сооружений, расположенных в одном и том же районе. И особенно это относится для отдельного сооружения.

Примеры негативного последствия совмещения принципа сохранения вечномерзлого грунта и допущение оттаивания этого же грунта, приведены на следующих фотографиях.

В данном случае вначале здание детского сада в г. Чите было построено по принципу сохранения линзы вечномерзлого грунта. После нескольких лет благополучной эксплуатации этого здания, решили пристроить к зданию столовую. Пристройку выполнили без учета линзы вечномерзлого грунта. В результате, через год эксплуатации такого сооружения, возникла аварийная ситуация, которая видна на представленных фото.

Фото развития аварийной ситуации для здания детского сада (г. Чита), возникшей в результате оттаивания линзы многолетней мерзлоты.

Не учет наличия вечномерзлых грунтов, часто приводит к возникновению и развитию значительных (недопустимых) осадок сооружений и появлению трещин в надземных конструкциях.

Фото здания, приспособленного к неравномерным деформациям способом устройства металлических поясов жёсткости в уровне каждого перекрытия. Причина подобных усилений - развитие неравномерных осадок, вследствие оттаивания линзы многолетней мерзлоты.

Воспринять неравномерные осадки оттаивающих оснований можно повышенной жесткостью надземных конструкций. В этом случае, как показано на данной фотографии, по периметру здания в уровне перекрытий устраивают металлические пояса жесткости, воспринимающие неравномерные деформации конструкций стен.

Такое усиление является противоаварийным мероприятием, выполняется по специальному проекту и требует значительных затрат.

Фундаменты являются основным и наиболее ответственным конструктивным элементом несущего остова здания.

Общие положения

Воздействия на фундаменты. Фундаменты работают в сложных условиях, подвергаясь силовым и несиловым воздействиям различного характера (рис. 6.1).

иловые воздействия – нагрузки от веса здания и грунта, силы пучения, сейсмические удары, упругая реакция грунта, вибрации – вызывают сжимающие, сдвигающие и изгибающие напряжения, результатом которых могут быть недопустимые деформации фундаментов и их разрушения.

Несиловые воздействия – переменные температура и влажность грунта и воздуха, избыточное увлажнение, воздействие агрессивных химических веществ и биологических факторов – могут привести к нежелательным разрушительным процессам в фундаментах.

Требования к фундаментам. Учет силовых и несиловых воздействий на фундаменты обуславливает основные эксплуатационные требования к ним:

- устойчивость на опрокидывание и скольжение;

- стойкость к воздействию грунтовых вод, химической и биологической агрессивности среды.

Кроме этого фундаменты должны удовлетворять требованиям технологичности устройства и экономическим требованиям минимума затрат средств, труда и времени на их возведение, что достигается индустриальными методами строительства.

Классификация фундаментов

По конструктивному типу и форме различают фундаменты (рис. 6.2):

- ленточные, располагаемые по всей длине стен или в виде сплошной ленты под рядами колонн;

- столбчатые, в виде отдельных опор под колоннами каркасных зданий, а также под стенами малоэтажных бесподвальных зданий;

- сплошные (плитные), представляющие собой монолитные плиты под всей площадью здания или его частью;

- свайные, в виде погруженных в грунт (устроенных в грунте) стержней – свай.

По материалу фундаменты могут быть: из природного камня, бутобетона, грунтобетона, бетона и железобетона.

По заглублению в грунт различают фундаменты: мелкого (до 5 м) и глубокого (более 5 м) заложения. Большинство зданий проектируется и строится с фундаментами мелкого заложения, которые имеют следующие отличительные особенности:

- нагрузка на основание передается преимущественно через плоскую подошву, в то время как глубокие фундаменты (например, свайные) нагрузку передают также и боковой поверхностью;

- соотношение размеров – ширины и высоты – незначительно, что позволяет рассматривать их как жесткие конструкции;

- устройство фундаментов осуществляется в отрываемых открытых котлованах или в полостях, создаваемых в массиве грунта.

По способу изготовления фундаменты могут возводиться монолитными, сборно-монолитными и сборными. Применение монолитных фундаментов наиболее рационально, так как они дешевле сборных и имеют лучшие технические характеристики.

По характеру работы конструкции фундаментов могут быть жесткими, работающими только на сжатие, и гибкими, рассчитанными на восприятие изгибающих усилий. Гибкие фундаменты выполняются из железобетона, что позволяет снизить расход бетона, но одновременно увеличивается расход стали.

По характеру нагружения различают центрально нагруженные и внецентренно нагруженные фундаменты.

По способу опирания на грунт различают фундаменты: непосредственно опирающиеся на грунт (на естественном основании); фундаменты трения – висячие сваи (на искусственном основании).

Общие принципы проектирования фундаментов

Глубина заложения фундамента – это расстояние от спланированной поверхности грунта до уровня подошвы фундамента (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Элементы фундамента: 1 – тело; 2 – подошва; 3 – обрез; 4 – ширина подошвы; 5 – глубина заложения; 6 – отметка глубины промерзания грунта; 7 – отметка уровня грунтовых вод (УГВ); 8 – планировочная отметка земли; 9 – отметка пола первого этажа; 10 – стена; 11 – перекрытие

Глубина заложения фундаментов принимается с учетом:

- назначения и конструктивных особенностей проектируемого здания;

- нагрузок и воздействий на фундаменты;

- глубины прокладки инженерных коммуникаций;

- существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;

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

- гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений;

- глубины сезонного промерзания грунтов.

Глубина сезонного промерзания зависит от климатических условий и вида грунта. Нормативная глубина сезонного промерзания d_fn для глинистого грунта определяется по СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика». Для пылеватых глин и суглинков, супесей, песков мелких и пылеватых принимается нормативная глубина для глинистого грунта с коэффициентом 1,2. В не пучинистых грунтах (крупнообмолочных, песках гравелистых, крупных и средней крупности) глубина заложения фундамента не зависит от глубины промерзания.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по формуле:

где d_fn – нормативная глубина промерзания; k_h – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемых зданий – по табл. 6.1; для фундаментов неотапливаемых зданий – 1,1.

Глубина заложения фундаментов отапливаемых зданий по условиям недопущения морозного пучения грунтов основания назначается:

а) для наружных фундаментов: при грунтах скальных, крупнообломочных с песчаным заполнителем, песках гравелистых, крупных и средней крупности (т.е. непучинистых) – независимо от расчетной глубины промерзания; для остальных грунтов – не менее расчетной глубины промерзания;

б) для внутренних фундаментов – независимо от расчетной глубины промерзания грунтов.

Глубину заложения наружных фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, если:

- фундаменты опираются на мелкие пески и исследованиями установлено, что они не имеют пучинистых свойств;

- предусмотрены специальные теплотехнические мероприятия, исключающие промерзание грунтов под подошвой фундаментов (теплоизолированные фундаменты и др.);

- обеспечена пространственная жесткость фундаментов (малоэтажные бесподвальные здания с ленточными фундаментами).

Проектирование фундаментов на естественном основании заключается в определении размеров подошвы фундаментов и глубины его заложения. Размеры подошвы определяют расчетом.

Глубина заложения фундаментов принимается с учетом:

- назначения, конструктивных особенностей проектируемого здания;

- нагрузок и воздействий на фундаменты;

- глубины прокладки инженерных коммуникаций;

- существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории;

- гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений;

- глубины сезонного промерзания грунтов.

Ленточные фундаменты

Ленточные фундаменты устраивают в виде лент под стены зданий и по форме в плане они повторяют очертание стен. Ленточные фундаменты не только несущие конструкции, но и ограждающие помещений цокольного или подвального этажей.

По очертанию в профилю ленточный фундамент под каменную стену представляет собой в простейшем случае прямоугольник.

Прямоугольное сечение фундамента по высоте допустимо лишь при небольших нагрузках на фундамент и достаточно высокой несущей способности грунта.

В большинстве случаев для передачи давления на основание, не превышающего нормативного давления на грунт, приходится уширять подошву фундамента.

Теоретической формой сечения фундамента с уширенной подошвой является трапеция. Уширение подошвы не должно быть большим во избежание появления растягивающих и скалывающих напряжений в выступающих частях фундамента и появления в них трещин.

На основе опыта установлены предельные углы наклона теоретической боковой грани фундамента к вертикали, при которой не возникают опасные растягивающие и скалывающие напряжения. Предельный угол α, называемый условно углом распределения давления в материале фундамента, составляет для бутовой кладки на сложном растворе состава 1:1:9 – 26°30′, на цементном растворе 1:4 – 33°30′, для бутобетона – 36°, а бетона – 45°.

Практически фундаменты делают ступенчатого сечения. В зданиях с подвалами сечение фундамента в пределах подвала устраивают прямоугольной формы с уширением ниже пола подвала, называемым подушкой.

Ширина бутовых фундаментов для обеспечения необходимой перевязки швов должна быть не менее 600 мм для кладки из рваного бута и 500 мм из бутовой плиты, а для бутобетонных фундаментов не менее 350 мм, при этом размеры камней должны быть не более 1/3 ширины фундамента. Бутобетонные и бетонные фундаменты менее трудоемки, но требуют устройства опалубки и большего расхода цемента. Высота ступеней в фундаментах составляет обычно около 500 мм, ширина – от 150 до 200 мм.

Наиболее индустриальны сборные фундаменты из железобетонных плит-подушек и бетонных стеновых блоков. Применение сборных фундаментов позволяет значительно сократить сроки строительства и уменьшить трудоемкость работ.

Плиты-подушечки изготавливают толщиной, преимущественно, 300 мм, шириной – от 600 до 3200 мм и длиной 1200, 2400 мм. Стеновые фундаментные блоки имеют размеры: высота 600 и 300 мм (доборные), ширина – 300, 400, 500 и 600 мм, длина – 600, 800, 900, 1200 и 2400 мм.

Блоки укладывают с перевязкой вертикальных швов, расстояние между которыми принимается не менее 0,4 высоты блока.

Для уменьшения количества типоразмеров фундаментных блоков по длине, а также для устройства вводов коммуникаций в теле ленточного фундамента оставляют проемы длиной не более 600 мм, которые впоследствии заполняют бетоном или кирпичом. При этом вышележащий блок должен перекрывать проем.

Под плиты-подушки устраивают выровненную песчаную подсыпку или укладывают слой тощего бетона толщиной 100 мм.

Для обеспечения пространственной жесткости фундаментов предусматриваются связи между продольными и поперечными стенами подвала перевязкой блоков и закладкой в горизонтальные швы сеток из арматуры диаметром 8 или 10 мм.

В случае несовпадения расчетной ширины подошвы фундамента с шириной типовой железобетонной плитой устраивают прерывистые фундаменты – укладкой плит с промежутками и их заполнением песком или грунтом.

В практике малоэтажного строительства (в зданиях без подвала) все большее распространение получают фундаменты мелкого заполнения с основанием в виде песчаной (песчано-гравийной) подушки.

Обеспечение требуемой жесткости такими фундаментами достигается устройством монолитных железобетонных фундаментов.

Высота противопучинистой подушки зависит от глубины промерзания грунтов, степени их пучинистости, нагрузки на фундамент, допустимых для надфундаментной части здания деформаций.

Рис. 6.6. Ленточные фундаменты: а – незаглубленный (фундамент-цоколь); б – мелкозаглубленный

Подушку укладывают слоями 150-200 мм с проливной водой и уплотнением.

В случаях, когда в слое сезонного промерзания имеются пучинистые грунты, способные воспринимать нагрузку от здания эффективным и экономически обоснованным является устройство поверхностных теплоизолированных фундаментов

Рис. 6.7. Мелкозаглубленные теплоизолированные фундаменты с теплоизоляционным элементом: а – под фундаментом; б – рядом с фундаментом

Их отличие от вышерассмотренных фундаментов мелкого заложения заключается в том, что под подошвой фундамента или рядом с ним укладывается специальный теплоизолирующий материал – эструдированный пенополистирол (ПСБС).

Под такими фундаментами грунт не промерзает и, как следствие, отсутствуют деформации подземных конструкций здания из-за пучения грунтов.

Переход от одной глубины заложения фундаментов к другой (на участке со значительным уклоном, при наличии подвала только под частью здания и др.) выполняется уступами.

Рис. 6.8. Схема устройства уступов при переходе от одной глубины заложения фундаментов к другой

В каменных фундаментах при плотных грунтах высота уступа должна быть не более 1 м, а расстояние между уступами – не менее их высоты. В малосжимаемых грунтах отношение высоты уступа к его длине должно быть меньше или равно 1/3, а в сильносжимаемых – 1/2. При этом высота уступа должна быть не более 0,5 м, в сборных фундаментах – 0,6 м.

При наличии уступов в ленточном фундаменте армированные швы должны перекрывать друг друга на разных уровнях не менее чем на 50 диаметров арматуры и больше удвоенного расстояния между швами по высоте. Точно так же армированные швы должны перекрывать проемы, имеющиеся в стенке фундаментов.

Если при подготовке основания в грунте обнаруживаются старые засыпанные колодцы, ямы, случайные слабые прослойки грунта, то во избежание неравномерной осадки фундаментов эти места нужно расчистить и заполнить кладкой, тощим бетоном или утрамбовать песком, а при возведении фундаментов над этими местами следует наложить армированные швы.

Столбчатые фундаменты

При незначительных нагрузках на фундамент, когда давление на грунт меньше нормального, непрерывные ленточные фундаменты под стены малоэтажных зданий целесообразно заменять столбчатыми. Столбчатые фундаменты наименее трудоемкий и наиболее дешевый тип фундаментов. Они в 1,5-4 раза дешевле ленточных. Фундаментные столбы (бутобетонные, бетонные или железобетонные, монолитные и сборные) перекрывают железобетонными фундаментными балками (сборные или монолитные), на которых возводится стена. Расстояние между осями фундаментных столбов принимают 2,5-3 м. Столбы располагают обязательно под углами здания, в местах пересечения наружных и внутренних стен. Для того чтобы устранить возможность выпирания фундаментной балки вследствие пучения расположенного под ней грунта, под ней устраивают подушку из песка или шлака толщиной не менее 0,5м.

Рис. 6.9. План столбчатых фундаментов

Свайные фундаменты

Для малоэтажных бесподвальных зданий свайные фундаменты применяются в случае залегания на поверхности слабых сильносжимаемых грунтов.

Свайный фундамент представляет собой ряд (ряды) свай, объединенных монолитным раствором.

В малоэтажных зданиях нагрузки на сваю как правило не превышают 150-200 кН. Поэтому наиболее эффективны сваи предварительно напряженные железобетонные сплошного сечения (250х250 и 300х300 мм) без поперчного армирования, пирамидальные сваи, забивные блоки и монолитные (буронабивные сваи).

Забивные сваи погружают в грунт забивкой, вибрированием или вдавливанием. Чаще всего применяют забивку сваебольными молотами. Погружение вибрированием осуществляется в насыщенные водой пески. Вдавливание сваи принимают в случаях, когда нельзя использовать динамические воздействия (вблизи существующих зданий особенно при песчаных и супесчаных грунтах, способных уплотняться от колебаний).

Рис. 6.10. Сборные железобетонные сваи: а – квадратного сечения без поперечного армирования; б – пирамидальная; в – забивной блок.

Буронабивные сваи выполняются из бетона, железобетона, грунтобетона, грунтоцемента, щебня, которые укладываются в скважину диаметром 0,5-0,8 м, глубиной погружения 1,5-2,0 м. При сыпучих грунтах стенки скважины закрепляют осадной трубой.

При проектировании свайных фундаментов малоэтажных зданий как правило сваи располагают в один ряд по геометрическим осям стен. В первую очередь сваи размещают в углах здания, в местах пересечения стен. Шаг свай в ряду определяют расчетом в зависимости от нагрузки и несущей способности свай и обычно принимается от 3 до 8 диаметров сваи.

Оптимальный шаг свай квадратного сечения – 1,5-1,8 м. Ширину монолитного железобетона принимают обычно равной ширине стены, но не менее 300 мм, а высоту – 400-500 мм.

Рис. 6.12. План фундамента с буронабивными сваями

Сплошные фундаменты

При неравномерных осадках, слабом грунте оснований, когда необходимо защитить подвал от проникновения грунтовой воды при высоком ее уровне, если пол подвала подвергается снизу большому гидростатическому давлению целесообразно применять монолитные или сборные плитные фундаменты под всей площадью возводимого здания.

В первом случае когда плита располагается в уровне планировочной отметки земли, плита «Подошва» имеет утолщенные ребра по контуру под несущие стены. Во втором случае (при наличии подвала) плиту укладывают на определенном заложении и прокладывают перфорированные дренажные трубы для отвода грунтовых вод.

Рис. 6.13. Монолитные сплошные фундаменты: а – в уровне планировочной отметки земли; б – с глубоким заложением.

Для устройства плиты грунт уплотняют, производится засыпка гравием, щебнем толщиной не менее 100 мм, служащая дренажным слоем. По нему укладывают гидроизоляцию в виде полиэтиленовой пленки толщиной 0,15 мм. При повышенном уровне грунтовых вод выполняют более мощную гидроизоляцию – армированную битумную пленку, заложенную между двумя слоями полиэтилена. Гидроизоляция препятствует проникновению влаги в монолитную плиту.

В настоящее время накоплен большой опыт по возведению экономичных малозаглубленных фундаментов. Наиболее рациональным способом защиты пучинистого грунта от промерзания является устройство горизонтальной теплоизоляции, укладываемой внутри под фундаментами или рядом с ними по наружному периметру стен в отапливаемых зданиях, в неотапливаемых – с двух сторон наружных фундаментов. Ширину изоляционного слоя рекомендуется принимать не более величины, равной глубине сезонного промерзания грунтов.

Рис. 6.14. Горизонтальная теплоизоляция фундаменто

Рис. 6.15. Мелкозаглубленные сплошные фундаменты: а – с утеплителем внутри фундамента; б – с утеплителем снаружи фундамента; в – с утеплителем снаружи фундамента; г – с утеплителем с внутренней стороны фундамента

Читайте также: