Определение размеров подошвы фундамента

Обновлено: 26.04.2024

Основные размеры фундаментов мелкого заложения (глубина и размеры подошвы) в большинстве случаев определяются исходя из расчета оснований по деформациям, который включает:

– подсчет нагрузок на фундамент;
– оценку инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства; определение нормативных и расчетных значений характеристик грунтов;
– выбор глубины заложения фундамента;
– назначение предварительных размеров подошвы по конструктивным соображениям или исходя из условия, чтобы среднее давление на основание равнялось расчетному сопротивлению грунта, приведенному в табл. 5.13;
– вычисление расчетного сопротивления грунта основания R по формуле (5.29), изменение в случае необходимости размеров фундамента с тем, чтобы обеспечивалось условие p ≤ R ; в случае внецентренной нагрузки на фундамент, кроме того, проверку краевых давлений;
– при наличии слабого подстилающего слоя проверку соблюдения условия (5.35);
– вычисление осадок основания и проверку соблюдения неравенства (5.28); при необходимости корректировку размеров фундаментов.

В случаях, оговоренных в п. 5.1, выполняется расчет основания по несущей способности. После этого производятся расчет и конструирование самого фундамента.

А. ЦЕНТРАЛЬНО НАГРУЖЕННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Определение размеров подошвы фундамента по заданному значению расчетного сопротивления грунта основания. Обычно вертикальная нагрузка на фундамент N₀ задается на уровне его обреза, который чаще всего практически совпадает с отметкой планировки. Тогда суммарное давление на основание на уровне подошвы фундамента будет:

p = N₀/A + d,

(5.39)

где — среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах, принимаемое обычно равным 20 кН/м 3 ; d и А — глубина заложения и площадь подошвы фундамента.

Если принять p = R , получим следующую формулу для определения необходимой площади подошвы фундамента:

A = N₀/(R – d).

(5.40)

Задавшись соотношением сторон подошвы фундамента η = l/b , получим:

b 2 = N₀/[η(R – d)].

(5.41)

Зная размеры фундамента, вычисляют его объем и вес N_f , а также вес грунта на его обрезах N_g и проверяют давление по подошве:

(5.42)

Определение размеров подошвы фундамента при неизвестном значении расчетного сопротивления грунта основания. Как видно из формулы (5.29), расчетное сопротивление грунта основания зависит от неизвестных при проектировании размеров фундамента (глубины его заложения d и размеров в плане b×l ), поэтому обычно эти размеры определяются методом последовательных приближений. В качестве первого приближения принимают размеры фундамента по конструктивным соображениям или из условия (5.41), т.е. принимая R = R₀ .

Однако необходимые размеры подошвы фундамента можно определить за один прием. Из формулы (5.41)

ηb 2 (R – d) – N₀ = 0 ,

а с учетом формулы (5.29) при b < 10 м (когда k_z = 1)

(5.43)

Уравнение (5.43) приводится к виду:

для ленточного фундамента

(5.44)

для прямоугольного фундамента

(5.45)

;

Решение квадратного уравнения (5.44) производится обычным способом, а уравнения (5.45) — методом последовательного приближения или по стандартной программе.

После вычисления значения b с учетом модульности и унификации конструкций принимают размеры фундамента и проверяют давление по его подошве по формуле (5.42).

Пример 5.7. Определить ширину ленточного фундамента здания жесткой конструктивной схемы без подвала ( d_b = 0). Отношение L/H = 1,5. Глубина заложения фундамента d = 2 м. Нагрузка на фундамент на уровне планировки n₀ = 900 кН/м. Грунт — глина с характеристиками, полученными при непосредственных испытаниях: φ_II = 18°, c_II = 40 кПа, γ_II = γ´_II = 18 кН/м 3 , I_L = 0,45.

Решение. по табл. 5.10 имеем: γ_с1 = 1,2 и γ_с2 = 1,1; по табл. 5.11 при φ_II = 18°; М_γ = 0,43; М_q = 2,73; М_c = 5,31. Поскольку характеристики грунта приняты по испытаниям, k = 1.

Для определения ширины фундамента b предварительно вычисляем:

;

a₁ = 1,2·1,1(2,73 · 2 · 18 + 5,31 · 40) – 20 · 2 = 370,1.

Подставляя эти значения в формулу (5.44), получаем 10,22 b 2 + 370,1 b – 900 = 0, откуда

м.

Принимаем b = 2,4 м.

Пример 5.8. Определить размеры столбчатого фундамента здания гибкой конструктивной схемы ( γ_с2 = 1). Соотношение сторон фундамента η = l/b = 1,5, нагрузка на него составляет: N₀ = 4 МН = 4000 кН. Грунтовые условия и глубина заложения те же, что и в предыдущем примере.

Решение. Вычисляем:

a₀η = 1,2 · 1 · 0,43 · 18 · 1,5 = 13,93;

a₁η = [1,2 · 1(2,73 · 2 · 18 + 5,31 · 40) – 20 · 2] 1,5 = 499,22.

Затем, подставляя в уравнение (5.45) полученные величины (13,93 b 3 + 499,22 b 2 – 4000 = 0) и решая его по стандартной программе, находим b = 2,46 м, тогда l = 1,5 b = 3,7 м.

Принимаем фундамент с размерами подошвы 2,5×3,7 м.

Определение размеров подошвы фундамента при наличии слабого подстилающего слоя. При наличии в пределах сжимаемой толщи основания (на глубине z от подошвы фундамента) слоя грунта с худшими прочностными свойствами, чем у лежащего выше грунта, размеры фундамента необходимо назначать такими, чтобы обеспечивалось условие (5.35). Это условие сводится к определению суммарного вертикального напряжения от внешней нагрузки и от собственного веса лежащих выше слоев грунта ( σ_z = σ_zp + σ_zg ) и сравнению этого напряжения с расчетным сопротивлением слабого подстилающего грунта R применительно к условному фундаменту, подошва которого расположена на кровле слабого грунта.

Пример 5.9. Определить размеры столбчатого фундамента при следующих инженерно-геологических условиях (см. рис. 5.24). На площадке от поверхности до глубины 3,8 м залегают песни крупные средней плотности маловлажные, подстилаемые суглинками. Характеристики грунтов по данным испытаний: для песка φ_II = 38°, с_II = 0, γ_II = γ´_II = 18 кН/м 3 , E = 40 МПа; для суглинков φ_II = 19°, с_II = 11 кПа, γ_II = 17 кН/м 3 , E = 17 МПа. Здание — с гибкой конструктивной схемой без подвала ( d_b = 0). Вертикальная нагрузка на фундамент на уровне поверхности грунта N₀ = 4,7 MH. Глубина заложения фундамента d = 2 м. Предварительные размеры подошвы фундамента примяты исходя из R = 300 кПа (табл. 5.13) равными 3×3 м.

Решение. по формуле (5.29) с учетом табл. 5.11 и 5.12 получаем;

кПа.

Для определения дополнительного вертикального напряжения от внешней нагрузки на кровле слабого грунта предварительно находим:

среднее давление под подошвой

p = N₀/b 2 + d = 4,7 · 10 3 /3 2 + 20 · 2 = 520 + 40 = 560 кПа;

дополнительное давление на уровне подошвы

p₀ = p – γ´_IId = 560 – 18 · 2 = 524 кПа.

По табл. 5.4 при ζ = 2z/b = 2 · 1,8/3 = 1,2 коэффициент α = 0,606. Тогда дополнительное вертикальное напряжение па кровле слабого слоя от нагрузки на фундамент будет:

σ_z = р₀α = 524 · 0,606 = 317 МПа.

Ширина условного фундамента составит:

м.

Для условного фундамента на глубине z = 1,8 м при γ_c1 = γ_c2 = k = 1 расчетное сопротивление суглинков по формуле (5.29) будет:

R_z = 0,47 · 4 · 17 + 2,88 · 3,8 · 18 + 5,48 · 11 = 30 + 196 + 60 = 286 кПа.

Вертикальное нормальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z = 3,8 м

σ_zg = 18 · 3,8 = 62 кПа.

Проверяем условие (5.35):

315 + 62 = 377 > R_z = 286 кПа,

т.е. условие (5.35) не удовлетворяется и требуется увеличить размеры фундамента. Расчет показал, что в данном случае необходимо принять b = 3,9 м.

Определение размеров подошвы фундамента осуществляется последовательными приближениями.

Вначале по таблице 42 или 43 определяют расчетное сопротивление грунта R₀ для того слоя грунта, на который опирается фундамент.

Затем вычисляются ориентировочные размеры подошвы фундамента, как центрально загруженного, по формуле

где А – площадь подошвы фундамента, м;

N_II – сумма вертикальных нагрузок, действующих на основание, кроме веса фундамента и грунта на его уступах (обрезах), и определяемых для случая расчета основания по деформациям, кН;

R₀ –расчетное сопротивление грунта основания, кПа;

– средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах, кН/м 3 , равный 20-23 для зданий без подвалов или для зданий с подвалом с обеих сторон от фундамента и - 16-19 при наличии подвала с одной стороны от фундамента;

d – глубина заложения фундамента, м.

В сумму вертикальных нагрузок N_II, действующих на основание, кроме веса фундамента и грунта на его уступах (обрезах), входят:

- вертикальная нагрузка на обрез фундамента N_о_II, получаемая из статического расчета надфундаментных конструкций;

- при опирании на фундамент фундаментных балок – вертикальные нагрузки от веса фундаментных балок и веса конструкций, опирающихся на фундаментные балки;

- прочие вертикальные нагрузки – от конструктивных элементов здания, опирающихся на фундамент, но не учтенных в статическом расчете, например, нагрузки от фахверковых колонн и т.п.

По полученному размеру площади назначают ширину и длину подошвы фундамента и конструируют, в первом приближении, тело фундамента в соответствии с указаниями п. 5.5. После этого, согласно принятым размерам, определяют расчетное сопротивление грунта R по формуле (15), находят вес фундамента и грунта на его уступах и вычисляют среднее давление по подошве фундамента по выражению

где N_fII – расчетный, по второй группе предельных состояний, вес фундамента, кН;

N_gII – то же вес грунта на уступах фундамента, кН;

l – длина подошвы фундамента, м;

b – ширина подошвы фундамента, м.

Свод правил [4] рекомендует давление по подошве фундамента вычислять по формуле

где g_mt – средневзвешенное значение удельных весов тела фундамента, грунта и пола, расположенных над подошвой фундамента; принимают равным 20 кН/м 3 ;

d – глубина заложения фундамента, м.

При наличии на полах сплошной равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q средние давления по подошве фундамента, вычисленные по формуле (59) или (60), должны быть увеличены в соответствие с п. 7.2.

В результате последовательных приближений необходимо добиться того, чтобы p_II стало меньше R и расхождение между ними не превышало 5% (в курсовом проектировании не более 10%).

Для центрально нагруженного фундамента определение его размеров на этом можно считать законченным.

Для внецентренно нагруженного фундамента для различных сочетаний нагрузок находят краевые давления по подошве и, корректируя размеры подошвы фундамента, добиваются выполнения условий по ограничению эксцентриситета равнодействующей в соответствии с п. 7.2.

Краевые давления р_II, кПа, определяют по формулам:

при относительном эксцентриситете е / l £ 1/6

или по своду правил [4]

при относительном эксцентриситете е / l > 1/6

или по своду правил [4]

где N_II - сумма вертикальных нагрузок, действующих на основание, кроме веса фундамента и грунта на его обрезах, и определяемых для случая расчета основания по деформациям, кН;,

N_fII – расчетный, по второй группе предельных состояний, вес фундамента, кН;

N_gII – то же вес грунта на уступах фундамента, кН;

A - площадь подошвы фундамента, м 2 ;

g_mt - средневзвешенное значение удельных весов тела фундамента, грунта и пола, расположенных над подошвой фундамента; принимают равным 20 кН/м 3 ;

d - глубина заложения фундамента, м;

M_II - момент от всех нагрузок, действующий по подошве фундамента, найденный с учетом заглубления фундамента в грунте и перераспределяющего влияния верхних конструкций или без этого учета, кН·м;

W - момент сопротивления площади подошвы фундамента, м 3 ;

C₀ - расстояние от точки приложения равнодействующей до края фундамента по его оси, м, определяемое по формуле

e - эксцентриситет равнодействующей нагрузки по подошве фундамента, м, определяемый по формуле

При наличии моментов M_x и M_y, действующих в двух направлениях, параллельных осям х и у прямоугольного фундамента, наибольшее давление в угловой точке p_max, кПа, определяют по формуле

где N_II, A, g_mt, W - то же, что и в формуле (61).

Покажем на примере, как определяется расчетный момент в уровне подошвы фундамента. Нагрузки к фундаменту и точки их приложения показаны на рисунке 45. Сам фундамент условно не показан.

Расчетный момент M_II_x относительно главной оси x подошвы фундамента, действующий в плоскости подошвы фундамента (рисунок 45), определяется по формуле

где М_oxII – расчетный момент относительно главной оси x сечения конструкции, опирающейся на фундамент, действующий по обрезу фундамента, кН×м;

Q_о_yII – расчетное значение горизонтальной силы на обрезе фундамента по направлению оси y, кН (может обозначаться F_о_hy);

h_p – высота фундамента, м;

N_oII – расчетная, по второй группе предельных состояний, нагрузка по обрезу фундамента, кН, проходящая через центр тяжести сечения конструкции, опирающейся на фундамент;

N_fII – вес фундамента, кН, представленный в виде сосредоточенной силы, направленной вертикально вниз, проходящей через центр тяжести фундамента;

е_f_у_(х) – эксцентриситет силы N_fII относительно главной оси x(y) подошвы фундамента;

N_gII – вес грунта на уступах фундамента, кН, представленный в виде сосредоточенной силы, направленной вертикально вниз, проходящей через центр тяжести грунта, расположенного на уступах фундамента;

е_g_у_(х) – эксцентриситет силы N_gII относительно главной оси x(y) подошвы фундамента.

Если на фундамент опираются фундаментные балки или другие конструкции, не показанные на рисунке 45, то необходимо соответствующим образом учитывать и моменты, возникающие в уровне подошвы фундамента, и от этих конструкций.

Аналогичным образом вычисляется и момент M_IIу относительно главной оси у подошвы фундамента.

Если в результате расчетов при принятой глубине заложения фундамента размеры его подошвы получаются чрезмерно большими, рекомендуется увеличить глубину заложения, с учетом инженерно-геологических условий площадки, и повторить подбор размеров фундамента.

Пример 8.Для инженерно-геологических условий, представленных в примере 5 на рисунке 23 подобрать габариты и назначить конструкцию фундамента под колонну крайнего ряда производственного корпуса, грузоподъемность мостовых кранов 20 т.

Дано.Отношение длины сооружения к высоте L/H = 6. Длина пролета 24 м. Глубина заложения фундамента от планировочной отметки d₁ = 2,2 м, высота фундамента h_f = 2,1 м (рисунок 46). Размер подколонника в плане 1,2´1,2 м.

По обрезу фундамента действуют нагрузки (рисунок 47):

На пол в I - м и II - м квадрантах действует нагрузка q = 25 кПа.

Для опирания фундаментных балок у фундаментов крайнего ряда колонн предусматриваем две столбчатые набетонки.При шаге колонн 6 м и подколоннике размером 1,2´1,2 мпринимаем фундаментную балку 1БФ6-5. На каждую набетонку действует вертикальная нагрузка N_с_II = 16 кН (с учетом собственного веса фундаментных балок) для расчета по второй группе предельных состояний. Эксцентриситет данной нагрузки относительно центра тяжести сечения подколонника е_с =-0,4 м.

Решение.Для супеси с коэффициентом пористости е = 0,642 и показателем текучести (показателем консистенции) I_L = 0,3 по таблице 43 интерполяцией находим R₀ = 234,5 кПа.

Назначаем = 22 кН/м 3 и вычисляем ориентировочные размеры подошвы фундамента, как центрально загруженного, по формуле (58) для максимальной вертикальной силы (первая комбинация нагрузок)

В первом приближении принимаем h = l / b = 1,4.

Находим ширину подошвы фундамента

2,17 м, принимаем b = 2,4 м.

По таблице 15 для супеси с I_L = 0,3 при L/H = 6 g_c₁ = 1,2, g_c₂ = 1,0.

Прочностные характеристики грунта (φ и с) определены непосредственными испытаниями, поэтому k = 1.

По таблице 16 для φ = 25° М_g = 0,78, М_q = 4,12, М_c = 6,68.

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах 0,5b = 0,5·2,4 = 1,2 м. Для песка пылеватого, расположенной ниже уровня грунтовых вод, при определении удельного веса учитываем взвешивающее действие воды по формуле

= 19 кН/м 3 (для слоя №1 – супеси).

Глубина заложения от уровня планировки d₁ = 2,2 м, т.к. подвала нет d_b = 0.

Расчетное сопротивление грунта вычисляем по формуле (15)

Корректируем ориентировочные размеры подошвы фундамента по формуле (58), заменив R₀ на фактическое расчетное сопротивление грунта

Находим ширину и длину подошвы фундамента

1,7 м, принимаем b = 1,8 м;

l = h×b = 1,4×1,8 = 2,52 м, принимаем l = 2,7 м.

Осредненный удельный вес грунта под подошвой фундамента вычисляется в пределах 0,5b = 0,5·1,8 = 0,9 м.

= 19 кН/м 3 (для слоя №1 – супеси).

Расчетное сопротивление грунта при b = 1,8 м

В соответствие с п. 7.2 определяем дополнительные давления под подошвой фундамента от нагрузки приложенной на пол здания q = 25 кПа.

Равнодействующая нагрузки q = 25 кПа в пределах подошвы фундамента равна N_qII = (q×l×b) / 2 = 25×2,7×1,8 / 2 = 60,8 кН, приложена с эксцентриситетом относительно центра тяжести сечения подколонника равным е_q = (l/2)/2 = 2,7/4 = 0,675 м;

Дополнительное давление от полосовой нагрузки q = 25 кПа, приложенной вне пределов подошвы фундамента (рисунок 48) вычислим для трех точек подошвы фундамента:

1) для наиболее удаленной от полосовой нагрузки краевой точки, находящейся на расстоянии от оси полосы, равном y₁ = L + l / 2;

2) для осевой точки y₂ = L;

3) для наиболее близкой краевой точки y₃ = L - l / 2.

Определим размеры b₀ и L.

b₀ = 24 - l = 24 – 2,7 = 21,3 м (здесь 24 м – пролет здания).

L = 24 / 2 = 12 м.

Таким образом, y₁ = L + l / 2 = =12 + 2,7 / 2 = 13,35 м; y₂ =L =12 м; y₃ = L - l / 2 = 12 - 2,7 / 2 = 10,65 м.

Давление в указанных точках находим для глубины z = d = 2,25 м, равной глубине заложения фундамента от отметки ±0,000.

Давления определяются через коэффициент k_q, найденный по таблице 40.

Подсчет дополнительных давлений приведен в таблице 44. Анализ величин k_q×q в таблице 44 показывает, что форма эпюры дополнительных давлений для рассматриваемого случая близка к трапеции, поэтому среднее дополнительное давление по подошве фундамента от полосовой нагрузки q = 25 кПа вычисляем по формуле

№ точки	y, м	y / b₀	При z / b₀=0,106
k_q	k_q×q, кПа
L + l / 2=13,35	0,627	0,257	6,43
L =12	0,564	0,377	9,43
L - l / 2=10,65	0,5	0,5	12,5

Находим сумму вертикальных нагрузок, действующих на основание с учетом нагрузки на пол, кроме веса фундамента и грунта на его обрезах

Вычисляем по формуле (60) средние давления по подошве фундамента

Проверяем выполнение условия (55).

расхождение составляет 8,93 %.

Проверку краевых давлений для первой комбинации выполняем для двух расчетных ситуаций – с нагрузкой на полу и без нагрузки.

Первая расчетная ситуация – на полу нагрузка q = 25 кПа.

Вычисляем момент M_II в уровне подошвы фундамента

= 140 + 16×2,1 - 2×16×0,4 + 60,8×0,675 = 201,8 кН×м.

Эксцентриситет равнодействующей нагрузки по подошве фундамента определяем по формуле

= 201,8 / (1292,8 + 20×2,2×1,8×2,7) = 0,134 м.

Вторая расчетная ситуация – на полу нагрузки нет.

Вычисляем момент M_II в уровне подошвы фундамента

= 140 + 16×2,1 - 2×16×0,4 = 160,8 кН×м.

Эксцентриситет равнодействующей нагрузки по подошве фундамента определяем по формуле

= 160,8 / (1232 + 20×2,2×1,8×2,7) = 0,136 м.

Краевые максимальные давления вычисляем по формуле (62):

для первой расчетной ситуации

для второй расчетной ситуации

Выполняем проверку для второй комбинации нагрузок по обрезу фундамента N₀_II = 800 кН, М₀_II = -240 кН×м, Q₀_II = -24 кН.

Первая расчетная ситуация – на полу нагрузка q = 25 кПа.

Вычисляем момент M_II в уровне подошвы фундамента

= -240 - 24×2,1 - 2×16×0,4 + 60,8×0,675 = -262,2 кН×м.

Эксцентриситет равнодействующей нагрузки по подошве фундамента (по абсолютной величине) определяем по формуле

= 262,2 / (892,8 + 20×2,2×1,8×2,7) = 0,237 м.

Вторая расчетная ситуация – на полу нагрузки нет.

Вычисляем момент M_II в уровне подошвы фундамента

= -240 - 24×2,1 - 2×16×0,4 = -303,2 кН×м.

= 303,2 / (832 + 20×2,2×1,8×2,7) = 0,29 м.

Краевые максимальные давления вычисляем по формуле (62):

для первой расчетной ситуации

для второй расчетной ситуации

Конструкция фундамента изображена на рисунке 49, размеры набетонок на рисунке условно не показаны.

Форма подошвы фундамента во многом определяется конфигурацией в плане возводимой надземной конструкции. Она может быть круглой, кольцевой, многоугольной (под дымовые трубы, водонапорные и силовые башни), квадратной, прямоугольной, ленточной (под колонны, столбы, стены), тавровой, крестообразной (под стены с пилястрами, отдельные опоры), а в стесненных условиях и более сложного очертания. В сборных фундаментах ее определяет и форма составных элементов и блоков.

При расчетах фундаментов мелкого заложения по второму предельному состоянию (по деформациям) площадь подошвы предварительно может быть определена из условия.

где Рп – среднее давление по подошве фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок при расчете по деформациям; R – расчетное сопротивление грунта основания, определяемое по формуле СНиП 2.02.01 – 83*.

Выполнение условия (1.2.) осложняется тем, что обе части неравенства содержат искомые геометрические размеры фундамента. В результате расчет приходится вести методом последовательных приближений, хотя для некоторых расчетных случаев предложены различные приемы, графики и таблицы, упрощающие эти расчеты.

Ц е н т р а л ь н о н а г р у ж е н н ы й ф у н д а м е н т. Центрально нагруженным считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок проходит через центр площади его подошвы. Реактивное давление грунта по подошве жесткого центрально нагруженного фундамента принимается равномерно распределенным интенсивностью

Рп = (Noп + Gfп + Ggп)/A (1.3.)

где Noп – расчетная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; Gfп и Ggп - расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах (рис. 1.13); А – площадь подошвы фундамента.

Рис. 1.13. Расчетная схема центрально нагруженного фундамента

В предварительных расчетах вес грунта и фундамента в объеме· параллелепипеда ABCD. в основании которого лежит неизвестная площадь подошвы А, определяется приближенно из выражения

Gfп + Ggп = γm Ad (1.4.)

где γm – среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах, принимаемое обычно равным 20 кН/м³; d – глубина заложения фундамента, м.

Приняв Рп = R и учтя (1.4.), из уравнения (1.3.) получим формулу для определения необходимой площади подошвы фундамента

A= Noп / (R - γm d) (1.5.)

Рассчитав площадь подошвы фундамента, находят его ширину b. Ширину ленточного фундамента, для которого нагрузки определяют на 1 м длины, находят как b=А/1. У фундаментов с прямоугольной подошвой задаются отношением сторон n=l/b, тогда ширина подошвы b= , для фундаментов с круглой подошвой D=2

Поскольку значение R в формуле (1.5.) также неизвестно, искомую величину А находят из совместного решения уравнений (8) и (1.3.) аналитическим или графическим методом. При решении графическим методом формулу (1.3) записывают в виде зависимости Рп =ƒ1(b), которая в общем случае является гиперболой:

Рп = Noп /A+ γm d (1.6.)

Формула (8) является уравнением прямой R = ƒ2(b).

Если построить графики по этим формулам, то пересечение полученной кривой и прямой даст искомое значение b, соответствующее расчетному давлению.

После вычисления значения b принимают размеры фундамента с учетом модульности и унификации конструкций и проверяют давление по его подошве по формуле (1.3.). Найденная величина Рп должна не только удовлетворять условию (1.2.), но и быть по возможности близка к значению расчетного сопротивления грунта R. Наиболее экономичное решение будет в случае их равенства.

В н е ц е н т р е н н о н а г р у ж е н н ы й ф у н д а м е н т. Внецентренно нагруженный считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок не проходит через центр тяжести площади его подошвы. Такое нагружение фундамента является следствием передачи на него момента или горизонтальной составляющей нагрузки, либо результатом одностороннего давления грунта на его боковую поверхность, как, например, у фундамента под наружную стену заглубленного помещения.

При расчете давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента принимают изменяющимся по линейному закону, а его краевые значения при действии момента сил относительно одной из главных осей определяют по формуле как для случая внецентренного сжатия. Подстановкой значений А=lb,W=b²l/6 и M= Nп e формула приводится к следующему более удобному для расчета виду:

где Nп – суммарная вертикальная нагрузка на основание, включая вес фундамента и грунта на его уступах; А – площадь подошвы фундамента; e – эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести подошвы; b – размер подошвы фундамента в плоскости действия момента.

Эпюра давления грунта, рассчитанная по формуле (1.7.), может быть однозначной и двузначной, как это показано на рис. 1.14. Как правило, размеры подошвы фундамента стараются подобрать таким образом, чтобы эпюра была однозначной, т.е. чтобы не было отрыва подошвы фундамента от основания. В противном случае в зазор между подошвой и грунтом может проникнуть вода, что нежелательно, поскольку это может привести к ухудшению свойств грунтов основания. Исключение допускается для фундаментов в стесненных условиях, когда отсутствует возможность развить их в нужном направлении, и для фундаментов, нагруженных знакопеременными моментами, когда нельзя подобрать размеры и форму подошвы, по которой действовали бы только сжимающие напряжения.

Поскольку при внецентренном нагружении относительно одной из центральных осей максимальное давление на основание действует только под

краем фундамента, при подборе размеров подошвы фундамента его допускается принимать на 20% больше расчетного сопротивления грунта, т.е.

Pmax ≤ 1,2 R (1.8.)

Рис. 1.14. Эпюры давлений под подошвой фундамента при действии внецентренной нагрузки

Одновременно среднее давление по подошве фундамента, определяемое как

Рп = Nп /А должно удовлетворять условию (1.2.).

В тех случаях, когда точка приложения равнодействующей внешних сил смещена относительно обеих осей инерции прямоугольной подошвы фундамента, как это показано на рис. 1.15 а, давление под ее угловыми точками находят по формуле

Поскольку в этом случае максимальное давление действует только в одной точке подошвы фундамента, допускается, чтобы его значение, найденное по формуле (1.9.), удовлетворяло условию

P с max ≤ 1,5R (1.10)

Рис. 1.15. Внецентренное загружение фундамента относительно двух главных осей инерции:

а – смещение равнодействующих внешних сил; б – устройство несимметричногофундамента.

Одновременно проверяются и условия (1.2.) и (1.8.).

На практике задачу подбора размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента решают следующим образом. Сначала принимают, что действующая нагрузка приложена центрально, подбирают соответствующие размеры подошвы из условия (1.2.), а затем уточняют их расчетом на внецентренную нагрузку, соблюдая изложенные выше требования и добиваясь удовлетворения условий (1.8.) и (1.10.). При этом иногда смещают подошву фундамента в сторону эксцентриситета так, чтобы точка приложения равнодействующей всех сил совпадала с центром тяжести подошвы фундамента (рис. 1.15 б).

Определение размеров фундамента начинают с определения глубины заложения его подошвы. Глубина заложения подошвы для фундаментов неотапливаемых зданий и сооружений под наружные стены, а также колонн отапливаемых зданий принимается равной не менее глубины промерзания грунта. Глубина заложения внутренних стен и колонн отапливаемых зданий не зависит от глубины промерзания грунта и назначается по конструктивным требованиям.

При выборе глубины заложения подошвы фундамента следует учитывать конструктивные требования: наличие подвала, обеспечения глубины заделки колонны и арматуры колонны. Глубина заложения подошвы фундаментов должна быть больше толщины почвенного слоя и не менее 0,5 м от поверхности планировки или низа пола. Назначение высоты фундамента, размеров его ступеней и глубины заделки производится в соответствии с требованиями СП 50-101-2004. Фундаменты делятся на центрально-нагруженные и внецентренно-нагруженные (рис. 7.1 и 7.2).

Определение размеров подошвы центрально-нагруженного фундамента. Размеры подошвы фундамента определяются из условия

где N – осевая сила от внешних нагрузок на верхнем обрезе фундамента (при γ_f=1), кН;

N₁ – собственный вес фундамента и вес грунта на его уступах, кН;

А – площадь подошвы фундамента, м 2 ;

R – расчетное сопротивление грунта, кН/м 2 .

Если принять усредненный удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах равным 22 кН/м 3 , тогда площадь фундамента будет равна :

где d₁ – глубина заложения фундамента, м.

Учитывая, что расчетное сопротивление грунта зависит от размеров фундамента, предварительный подбор подошвы ведут по расчетным сопротивлениям R=R₀, принятым из табл. 7.1.

По вычисленной площади подошвы фундамента А определяют размеры его сторон. Для квадратного фундамента размер стороны а=А 0,5 . Полученные размеры подошвы округляют, вычисляют принятую площадь фундамента и производят окончательную проверку давлений по подошве по формуле 7.1 при фактическом значении R.

Рисунок 7.1 – Типы фундаментов : а- центрально-нагруженные; б – внецентренно-нагруженные; 1- колонна, 2 – отдельный фундамент; 3- кирпичная стена, 4 – ленточный фундамент, 5- расчетная полоса

Рисунок 7.2 – К расчету внецентренно-нагруженного фундамента

Таблица 7.1 – Расчетные сопротивления R₀ грунтов для предварительных расчетов

Наименование грунта	R₀, кН/м 2
Пески крупные средней плотности	500
Пески мелкие средней плотности маловлажные	300
Пески мелкие средней плотности влажные и насыщенные водой	200
Пески средней плотности пылеватые маловлажные	250
Супеси (e=0,5 J_L=0)	300
Суглинки (e=0,7 J_L=1)	180
Насыпные грунты	100-250

Примечание: Значения R0 относятся к фундаментам, имеющим ширину b₀=1 м и глубину заложения d₀=2 м

Внецентренно-сжатые фундаменты .Все внешние силы N₁, Q₁, M_1, действующие на фундамент, приводятся к вертикальной силе N, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента и моментам M_x и M_y, действующим на уровне подошвы фундамента (рис. 7.2). При этом расчеты производят на невыгодные комбинации усилий. Давление под подошвой фундамента при действии моментов в двух плоскостях определяется по формуле:

где М_Х и М_Y – моменты внешних сил относительно осей X и Y;

W_X и W_Y – моменты сопротивлений подошвы фундамента относительно тех же осей;

А – площадь подошвы фундамента.

При действии фундамента в одной плоскости М_Y и W_Y принимают равными 0.

Проверка основания фундамента или подбор размеров подошвы производят так, чтобы среднее давление под подошвой не превышало расчетного сопротивления R, т.е.

При этом наибольшее краевое давление при действии изгибающего момента вдоль каждой оси фундамента не должно превышать 1,2R и в угловой точке 1,5R.

Для большинства фундаментов минимальное краевое давление при действии изгибающего момента вдоль каждой оси должно быть Р_min≥0/

Определение площади подошвы фундамента ведут в следующей последовательности По табл. 7.1 в зависимости от наименования грунта определяют R₀. Определяют размеры сторон фундамента и требуемую площадь подошвы по формуле

Обычно для прямоугольных отдельных фундаментов принимают а=(1÷1,6) b. По найденным размерам уточняют значение R и по формуле 7.1 проверяют давление под подошвой фундамента. В случае, если давление фундамента превышает указанные величины, размеры подошвы фундамента корректируют и производят проверку давления заново.

Расчет ленточных фундаментов под кирпичные стены аналогичен расчету отдельных фундаментов, для чего по длине фундамента условно вырезают полосу, равную 1 м, и для нее производят определение размеров по формулам, указанным выше.

Пример:

Колонна передает на фундамент в уровне его обреза (верхней плоскости) осевую нагрузку с учетом коэффициента надежности по назначению N=2000кН. Глубина промерзания грунта для данного региона d_p=1,8 м (табл. 7.4). Грунты основания сложены из пылеватых маловлажных песков, имеющих следующие расчетные характеристики: удельный вес γ_II=20кН/м 3 , удельное сцепление с=6кПа, угол внутреннего трения φ_II=34°. Требуется определить размеры подошвы фундамента.

Принимаем глубину заложения фундамента d₁=d_p=1,8 м. По табл. 7.1 находим предварительно расчетное сопротивление грунта R=R₀=250 кН/м 2 . Тогда требуемая площадь подошвы фундамента по формуле 7.1:

Площадь подошвы квадратного в плане фундамента с размерами сторон a=b=A 0,5 =9,5 0,5 =3,08≈3,1 м. Для заданного грунта γ_II=20кН/м 3 , γ_c1=1,25 и γ_c2=1,0 (табл. 7.2),

где γ_c1 и γ_c2 — коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 7.2;

k — коэффициент, принимаемый: k = 1, если прочностные характеристики грунта (с и φ) определены непосредственными испытаниями, и k= 1,1, если указанные характеристики приняты по таблицам;

М_γ, М_q и М_c — коэффициенты, принимаемые по табл. 7.3;

k_z — коэффициент, принимаемый: k_z = 1 при b < 10 м, k_z = z0/b + 0,2 при b ≥ 10 м (здесь b — ширина подошвы фундамента, м; z0 = 8 м);

γ_II — расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м 3 ; γ´_II — то же, залегающих выше подошвы;

с_II — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

Так как R=514 кН/м 2 в значительной мере отличается от принятых в первом расчете R=250 кН/м 2 , то производим повторный расчет.

Принимаем a=b=2,2 м, А=2,2∙2,2=4,84 м 2 т определяем R.

Проверяем среднее давление на грунт под подошвой фундамента

Размеры подошвы фундамента достаточны.

Таблица 7.2 – Значения коэффициентов γ_с1 и γ_с2

γ_с2 для сооружений с жесткой конструктивной схемой при отношении длины сооружения или его отсека к его высоте L/H

1. Жесткую конструктивную схему имеют сооружения, конструкции которых приспособлены к восприятию усилий от деформаций оснований путем применения специальных мероприятий.

2. Для сооружений с гибкой конструктивной схемой значения коэффициента γ_с2 принимается равным единице.

3. При промежуточных значениях L/H коэффициент γ_с2 определяется интерполяцией.

Таблица 7.3 – Таблица коэффициентов М_γ, М_q и М_c

Размеры внецентренно нагруженных фундаментов определяются исходя из условий:

(5.50)

(5.51)

(5.52)

где р — среднее давление под подошвой фундамента от нагрузок для расчета оснований по деформациям; p_max — максимальное краевое давление под подошвой фундамента; р c _max — то же, в угловой точке при действии моментов сил в двух направлениях; R — расчетное сопротивление грунта основания.

Максимальное и минимальное давления под краем фундамента мелкого заложения при действии момента сил относительно одной из главных осей инерции площади подошвы определяется по формуле

(5.53)

где N — суммарная вертикальная нагрузка на основание, включая вес фундамента и грунта на его обрезах, кН; A — площадь подошвы фундамента, м 2 ; М_х — момент сил относительно центра подошвы фундамента, кН·м; y — расстояние от главной оси инерции, перпендикулярной плоскости действия момента сил, до наиболее удаленных точек подошвы фундамента, м; I_x — момент инерции площади подошвы фундамента относительно той же оси, м 4 .

Для прямоугольных фундаментов формула (5.53) приводится к виду

(5.54)

где W_x — момент сопротивления подошвы, м 3 ; e_x = M_x/N — эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента, м; l — размер подошвы фундамента в направлении действия момента, м.

При действии моментов сил относительно обеих главных осей инерции давления в угловых точках подошвы фундамента определяется по формуле

(5.55)

или для прямоугольной подошвы

(5.56)

где М_х, M_y, I_х, I_y, e_x, e_y, x, у — моменты сил, моменты инерции подошвы эксцентриситеты и координаты рассматриваемой точки относительно соответствующих осей; l и b — размеры подошвы фундамента.

Условия (5.50)—(5.52) обычно проверяются для двух сочетаний нагрузок, соответствующих максимальным значениям нормальной силы или момента.

Относительный эксцентриситет вертикальной нагрузки на фундамент ε = е/l рекомендуется ограничивать следующими значениями:

ε_u = 1/10 — для фундаментов под колонны производственных зданий с мостовыми кранами грузоподъемностью 75 т и выше и открытых крановых эстакад с кранами грузоподъемностью более 15 т, для высоких сооружений (трубы, здания башенного типа и т.п.), а также во всех случаях, когда расчетное сопротивление грунтов основания R < 150 кПа;

ε_u = 1/6 — для остальных производственных зданий с мостовыми кранами и открытых крановых эстакад;

ε_u = 1/4 — для бескрановых зданий, а также производственных зданий с подвесным крановым оборудованием.

Форма эпюры контактных давлений под подошвой фундамента зависит от относительного эксцентриситета (рис. 5.25): при ε < 1/6 — трапециевидная (если ε = 1/10, соотношение краевых давлений p_min/p_max = 0,25), при ε = 1/6 — треугольная с нулевой ординатой у менее загруженной грани подошвы, при ε > 1/6 — треугольная с нулевой ординатой в пределах подошвы, т.е. при этом происходит частичный отрыв подошвы.

В последнем случае максимальное краевое давление определяется по формуле

(5.57)

где b — ширина подошвы фундамента; l₀ = l /2 – e — длина зоны отрыва подошвы (при ε = 1/4, l₀ = 1,4).

Следует отметить, что при отрыве подошвы крен фундамента нелинейно зависит от момента.

Распределение давлений по подошве фундаментов, имеющих относительное заглубление λ = d/l > 1, рекомендуется находить с учетом бокового отпора грунта, расположенного выше подошвы фундамента. При этом допускается применять расчетную схему основания, характеризуемую коэффициентом постели (коэффициентом жесткости). В этом случае краевые давления под подошвой вычисляются по формуле

(5.58)

где i_d — крен заглубленного фундамента; c_i — коэффициент неравномерного сжатия.

Пример 5.11. Определить размеры фундамента для здания гибкой конструктивной схемы без подвала, если вертикальная нагрузка на верхний обрез фундамента N = 10 МН, момент M = 8 МН·м, глубина заложения d = 2 м. Грунт — песок средней крупности со следующими характеристиками, полученными по испытаниям: е = 0,52; φ_II = 37°; c_II = 4 кПа; γ = 19,2 кН/м 3 . Предельное значение относительного эксцентриситета ε_u = е/l = 1/6.

Решение. По табл. 5.13 R₀ = 500 кПа. Предварительные размеры подошвы фундамента определим исходя из требуемой площади:

м 2 .

Принимаем b · l = 4,2 · 5,4 м ( A = 22,68 м 2 ).

Расчетное сопротивление грунта по формуле (5.29) R = 752 кПа. Максимальное давление под подошвой

кПа < 1,2 R = 900 кПа.

Эксцентриситет вертикальной нагрузки

м,

т.е. ε = e/l = 0,733/5,4 = 0,135 < ε_u = 0,167.

Таким образом, принятые размеры фундамента удовлетворяют условиям, ограничивающим краевое давление и относительный эксцентриситет нагрузки.

Читайте также: