Верхняя граница между фундаментом и надфундаментных строением

Обновлено: 26.04.2024

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ярославский государственный технический университет

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

в качестве учебного пособия

Проектирование оснований фундаментов мелкого заложения: Учебное пособие. – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2008. – 114 с.

Приведены сведения по классификации грунтов. Изложена теория напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований. Рассмотрены методы и способы расчета по первой и второй группам предельных состояний оснований сооружений на автомобильных дорогах и фундаментов опор мостов. Содержатся данные по проектированию фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 270100 «Строительство» специальность 270102 "Промышленное и гражданское строительство" при выполнении учебных и исследовательских работ.
Ил. 26. Табл. 45. Библиогр. 5.
УУДК 642.15

БББК
Рецензенты: кафедра ; В.П.Фатиев .

ISBN	© Ярославский государственный технический университет, 2008

Введение
Курс «Основания и фундаменты» – это прикладная дисциплина, освещающая проблемы проектирования и возведения фундаментов и грунтовых сооружений в различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Настоящее учебное пособие затрагивает отдельные вопросы расчета и проектирования оснований и фундаментов, а именно – методы и способы расчета по первой и второй группам предельных состояний оснований фундаментов мелкого заложения промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Проектирование оснований и фундаментов состоит из двух взаимосвязанных основных составляющих:

1 – определение габаритов фундаментов из возможностей грунтового основания воспринимать действующую на него нагрузку;

2 – собственно проектирование конструкции фундамента.

Первая составляющая, являющаяся предметом настоящего пособия, называется проектированием оснований фундаментов. В результате проектирования оснований фундаментов подбираются тип, конструкция, основные размеры фундамента и нагрузки на фундамент со стороны грунта из совместного расчета основания и сооружения.

Вторая составляющая является предметом изучения в дисциплинах «Железобетонные и каменные конструкции» и др.

Необходимость устройства фундаментов диктуется следующими факторами.

Грунты, за исключением скальных или крупнообломочных грунтов, имеют малую несущую способность относительно прочности материалов надфундаментных конструкций и самих фундаментов. Фундамент предназначен для распределения нагрузки по большей площади грунта.

Верхние слои грунта, как правило, обладают меньшей прочностью и большей деформативностью по сравнению с нижними слоями грунтов. Кроме того, прослои или линзы слабых грунтов, таких как заилованные или заторфованные грунты, в основаниях могут встречаться на некоторой глубине. Фундамент предназначен для «прорезания» слабых грунтов и передачи нагрузки на нижние более прочные слои грунта.

На грунты основания от сооружения могут передаваться нагрузки различного вида и характера, например сдвигающие нагрузки. В случае опирания элементов сооружения без заглубления непосредственно на поверхность, пусть даже очень прочного, грунта, сил трения по площадке контакта сооружения с грунтом может оказаться недостаточно для уравновешивания сдвигающих сил. Фундамент предназначен для передачи сдвигающей нагрузки на расположенный у боковой поверхности фундамента грунт.

Некоторые виды грунта, так называемые пучинистые грунты, при замерзании способны увеличиваться в объеме. Если сооружение поставить непосредственно на такой грунт, то по площадке опирания от сил морозного пучения могут возникать направленные вверх давления, достигающие уровня ( размера ) 6 МПа и более. В силу ряда обстоятельств давления от сооружения на грунт ограничены и по размеру они на порядок меньше указанных. Вследствие этого сооружение или отдельные его элементы при замерзании пучинистых грунтов будут подниматься, а при оттаивании - опускаться. Фундамент предназначен для «прорезания» пучинистых грунтов и, тем самым, исключения воздействия нормальных сил пучения по подошве фундамента и уменьшения, вызванных силами морозного пучения, деформаций надфундаментных конструкций.

Основания – это ограниченные по глубине и простиранию напластования грунтов, на которых возводят сооружения и которые от собственного веса, приложенных к ним нагрузок и других воздействий претерпевают вертикальные и горизонтальные перемещения. Основания делятся на естественные и искусственно улучшенные. Первые используют в условиях природного залегания или после незначительной подготовки, а вторые предварительно улучшают различными способами.

Основание, состоящее из одного слоя грунта, называют однородным, а из нескольких пластов – слоистым.

Слой, на котором возводят фундамент, называют несущим, а слои, расположенные ниже, – подстилающими.

Фундамент – это заглубленная конструкция, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения на грунты основания.

Подошва фундамента – это нижняя плоскость фундамента, которая непосредственно опирается на основание и передает силовые воздействия на грунт.

Обрез фундамента – это верхняя плоскость фундамента, на которой располагаются надземные части здания, т.е., в некотором смысле, граница между конструкцией фундамента и надфундаментной конструкцией. У многих фундаментов, например, у отдельно стоящих железобетонных фундаментов под металлические или сборные железобетонные колонны, положение обреза фундамента очевидно – обрезом фундамента является верх подколонника. Для некоторых фундаментов обрез фундамента не имеет четко выраженного расположения. Например, кирпичные фундаменты для кирпичных стен здания. В этих случаях проектировщик на время выполнения всех расчетов, и фундаментов и надфундаментных конструкций, сам назначает положение обреза и выполняет расчеты в соответствие с принятой расчетной схемой. Так для фундамента под кирпичные стены здания можно за обрез принять отметку размещения слоя горизонтальной гидроизоляции, также можно за обрез принять границу между бетонными блоками или отметку опирания на стены подвала перекрытия подвала и т.п.

Глубина заложения фундамента d- это расстояние от поверхности грунта или пола подвала до подошвы фундамента.

Подошва фундамента должна опираться на достаточно прочные слои грунта, обеспечивающие восприятие нагрузки от фундамента и долговременную эксплуатационную надежность сооружения.

Не рекомендуется опирать фундаменты на свеженасыпные, илистые и заторфованные грунты, рыхлые пески, текучие и текучепластиные глинистые грунты и грунты, содержащие растительные остатки.

Для надежной передачи нагрузки на основание фундамент заглубляют в несущий слой грунта не менее чем на 10-20 см.

Обычно наименьшая глубина заложения ленточного фундамента бесподвальных многоэтажных зданий составляет 1,0 м, а отдельно стоящего под колонны промышленных каркасных зданий - 1,5 м.

В зданиях с подвалами расстояние от пола подвала до подошвы фундамента должно составлять не менее 0,5 м.

Проектирование оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций

Основания, фундаменты и надфундаментные конструкции работают совместно и должны проектироваться как одно единое целое. Для проектирования такой системы следует оценить особенности работы всей системы и каждой из ее составных частей в отдельности.

Параметры взаимодействия фундаментов с конструктивными элементами сооружения зависят от конструктивных характеристик всех составляющих элементов системы основание-сооружение (жесткости-деформативности основания, размеров сечений и жесткостных характеристик материалов конструкций и т.п.). Например, изменение жесткости-гибкости несущих конструкций, их размеров, условий нагружения, эксплуатации и пр. повлечет за собой изменение условий нагружения фундамента и как следствие напряженно-деформированного состояния грунтов основания. В свою очередь, изменение жесткости-деформативности оснований и фундаментов приведет к перераспределению внутренних усилий в надфундаментных конструкциях, в том числе и перераспределению нагрузок на фундаменты.

Наибольшее распространение в проектной практике совместных методов проектирования оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций, т.е. системы основание - фундамент - верхнее строение, имеют две группы:

1. Комплексный совместный расчет надземного строения, фундамента и грунтового основания.

2. Использование при проектировании оснований и фундаментов данных о допустимых перемещениях фундаментов, корректирующих коэффициентов и рекомендаций, учитывающих жесткостные особенности сооружения.

Первая группа методов рассматривает сооружение, фундамент и основание как неделимое, совместно деформирующееся целое. При этом используют различные расчетные схемы или расчетные идеализации надфундаментного строения, фундаментов и основания.

Например, каркасное здание на отдельно стоящих фундаментах может быть представлено такой расчетной схемой (рис. 1): надземное строение - рама; фундамент - стержень бесконечной жесткости; основание – упруго податливая связь с жесткостями, эквивалентными жесткости основания. Указанные элементы расчетной схемы сопрягаются между собой жестко, создавая расчетную модель сооружения. Такие системы могут рассчитываться на заданные нагрузки и воздействия с использованием программного обеспечения САПР, например, "SCAD", "Лира-Windows" и др.

Рисунок 1. Расчетная схема рамы:

1 – абсолютно жесткий стержень, моделирующий фундамент; 2 – упруго податливая связь, моделирующая работу основания; 3 – стержни, моделирующие элементы каркаса; q, M, N, W – внешняя нагрузка.
Жесткости С_z, С_ и С_х упруго податливых связей, моделирующих работу грунтового основания, назначаются из уравнений:

где А_f, I_f- соответственно площадь подошвы фундамента и момент инерции этой площади относительно оси, нормальной к плоскости изгиба; S, ,  - вертикальное перемещение, угол поворота и горизонтальное смещение фундамента.

Расчет системы ведется следующим образом.

Вначале рассматривают раму на не деформируемых опорах. От действующих на сооружение нагрузок и воздействий определяют реакции опор, по которым, в соответствие с расчетными формулами, назначают размеры фундаментов и вычисляются соответствующие перемещения оснований. По формулам (1) вычисляются жесткости упруго податливых связей.

Затем производится расчет рамы на упруго податливых связях, и определяются значения перемещений фундамента, которые сопоставляются с деформациями основания при тех же нагрузках. В процессе проектирования размеры конструкции фундамента и жесткости связей могут быть откорректированы.

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

Вторая группа методов объединяет приемы оценки совместной работы основания и верхнего строения, в которых жесткость надфундаментных конструкций учитывается приближенно с помощью корректирующих коэффициентов и классификаций сооружений по жесткости. Такие методы разработаны в нормах на проектирование оснований зданий и сооружений и наиболее часто используются на практике в силу их простоты. По сути, в этих методах используется принцип оценки предельных состояний сооружений по обобщенным деформационным критериям, которые установлены либо опытным путем на основании статистической обработки результатов натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, либо на основании предварительного расчета сооружения на смещения опор. Например, для оценки прочности конструкций каркасного здания достаточно вычислить разность осадок его фундаментов и сравнить ее с допустимым значением, рекомендуемым нормами или типовым проектом.

Но в любом случае, каким бы методом проектировщик не пользовался при расчете системы основание – фундамент - сооружение, он должен решить следующие задачи расчета оснований и фундаментов, обеспечивающих надежную эксплуатацию как системы в целом, так и отдельных ее частей:

1. выполнить анализ местных условий строительства;

2. проанализировать технологическое назначение и конструктивное решение сооружения;

3. определить нагрузки, передаваемые на фундамент;

4. наметить возможные варианты оснований и фундаментов;

5. произвести по группам предельных состояний расчет оснований и фундаментов под характерную или наиболее нагруженную надземную конструкцию;

6. выбрать оптимальный вариант оснований и фундаментов;

7. рассчитать и разработать рабочие чертежи фундаментов для всего сооружения;

8. разработать сметную документацию, проекты производства работ и организации строительства.

Основные положения расчета оснований и фундаментов по двум группам предельного состояния

К первой группе предельных состояний относятся состояния, приводящие сооружение и основание к полной непригодности к эксплуатации (потеря устойчивости формы и положения; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение; резонансные колебания; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести и т.п.).

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружения или снижающие его долговечность вследствие недопустимых перемещений (осадок, подъемов, прогибов, кренов, углов поворота, колебаний, трещин и т.п.).

Основания фундаментов рассчитываются по двум группам предельного состояния. Расчет по первой группе предельных состояний называют расчетом по несущей способности, по второй – расчетом по деформациям.

Основания рассчитывают по деформациям во всех случаях.

Расчет оснований по несущей способности производится в случаях, если:

а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты опор мостов, фундаменты распорных конструкций и т.п.), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

в) основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными глинистыми, органоминеральными и органическими грунтами (при коэффициенте водонасыщения S_r 0,85 и коэффициенте консолидации с_  10 7 см 2 /год);

г) основание сложено скальными грунтами.

по первой группе — по прочности и устойчивости конструкций фундаментов;
по второй группе — по деформациям фундаментов (прогибы, выгибы), трещиностойкости железобетонных конструкций фундаментов.

В соответствии с требованиями ГОСТ 27751 при проектировании следует учитывать уровень ответственности сооружения: I - повышенный, II - нормальный, III - пониженный.

резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью 10000 м3 и более;
магистральные трубопроводы;
производственные здания с пролетами 100 м и более;
сооружения связи высотой 100 м и более.

наличие консоли вылетом более чем 20 метров;
заглубление подземной части (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли более чем на 10 метров;
наличие конструкций и конструкционных систем, в отношении которых применяются нестандартные методы расчета с учетом физических или геометрических нелинейных свойств либо разрабатываются специальные методы расчета.

перейти в каталог файлов

Фундаментом называют подземную или подводную часть сооружения, которая передает нагрузку от сооружения грунту основания и распределяет ее на большую площадь.

Основанием считают слои грунта, залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него, влияющие на устойчивость фундамента и его перемещение.

Подошвой называют нижнюю плоскость фундамента, которой он опирается на грунт.

Верхняя граница между фундаментом и телом сооружения называется обрезом фундамента.

Высота фундамента – расстояние по вертикали от обреза до подошвы фундамента.

Расстояние от верхней границы грунта до подошвы фундамента называется глубиной заложения фундамента (d_ф).

Слой грунта, в котором расположен фундамент, называется несущим слоем. Слой грунта, расположенный под несущим слоем, называется подстилающим слоем.

Все фундаменты делятся на два типа:

1. Фундаменты мелкого заложения (ФМЗ)

2. Фундаменты глубокого заложения (ФГЗ)

Основания бывают двух видов:

1. Естественное основание (сложенное природными грунтами)

2. Искусственное основание (укрепленный или уплотненный грунт)

Исходные данные для проектирования оснований и фундаментов. Сведения о конструктивных особенностях зданий и сооружений. Нагрузки и воздействия, которые учитываются при расчете фундаментов и оснований.

Нагрузки, передаваемые на фундаменты, делятся на постоянные и временные. Постоянные – это нагрузки, прикладываемые на фундамент в период строительства и действующие в течение всего периода эксплуатации (собственный вес конструкции и давление грунта). Временные – это нагрузки, прикладываемые на фундамент в отдельные периоды строительства или эксплуатации. Они могут увеличиваться, уменьшаться или исчезать полностью. Временные нагрузки можно подразделить на:

1. Длительно действующие

К длительно действующим относятся нагрузки, которые наблюдаются в течение продолжительного времени (вес оборудования).

К кратковременным относятся нагрузки, действующие непродолжительное время (нагрузка от транспорта, веса людей, снеговая и ветровая).

Особые нагрузки возникают в исключительных случаях (сейсмические, обусловленные резкой просадкой, а также на подрабатываемых территориях).

Все перечисленные нагрузки могут воздействовать на основание и фундамент в самых различных сочетаниях. В зависимости от того какие нагрузки оказывают воздействие на конструкцию различают следующие их сочетания:

1. Основные сочетания нагрузок:

b. Временно или длительно действующие

2. Особые сочетания нагрузок:

b. Временно или длительно действующие

d. Одна из особых нагрузок

Также нагрузки различают:

Постоянные нормативные нагрузки определяют путем умножения объема конструкции на удельный вес материала N=V*γ.

Временные нормативные нагрузки определяются по СНиПу 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» с учетом районов, в которых ведется строительство и особенностей проектируемого сооружения.

Расчетные нагрузки определяются путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке.

Расчет оснований и фундаментов, как и всех строительных конструкций, выполняется по предельным состояниям.

Основания рассчитывают по двум предельным состояниям:

1. Расчет по прочности и устойчивости (по несущей способности)

2. Расчет по деформациям

Расчет оснований по несущей способности производится на основное и особое сочетание расчетных нагрузок (при наличии особых нагрузок). Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нормативных нагрузок (расчетных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке).

Ил. 26. Табл. 45. Библиогр. 5.

Рецензенты: кафедра ; В.П.Фатиев .

ISBN	© Ярославский государственный технический университет, 2008

Введение

Курс «Основания и фундаменты» – это прикладная дисциплина, освещающая проблемы проектирования и возведения фундаментов и грунтовых сооружений в различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Проектирование оснований и фундаментов состоит из двух взаимосвязанных основных составляющих:

2 – собственно проектирование конструкции фундамента.

Необходимость устройства фундаментов диктуется следующими факторами.

Некоторые виды грунта, так называемые пучинистые грунты, при замерзании способны увеличиваться в объеме. Если сооружение поставить непосредственно на такой грунт, то по площадке опирания от сил морозного пучения могут возникать направленные вверх давления, достигающие уровня (размера) 6 МПа и более. В силу ряда обстоятельств давления от сооружения на грунт ограничены и по размеру они на порядок меньше указанных. Вследствие этого сооружение или отдельные его элементы при замерзании пучинистых грунтов будут подниматься, а при оттаивании - опускаться. Фундамент предназначен для «прорезания» пучинистых грунтов и, тем самым, исключения воздействия нормальных сил пучения по подошве фундамента и уменьшения, вызванных силами морозного пучения, деформаций надфундаментных конструкций.

Общие положения

Основные понятия и определения

Основание, состоящее из одного слоя грунта, называют однородным, а из нескольких пластов – слоистым.

Слой, на котором возводят фундамент, называют несущим, а слои, расположенные ниже, – подстилающими.

Глубина заложения фундамента d - это расстояние от поверхности грунта или пола подвала до подошвы фундамента.

В зданиях с подвалами расстояние от пола подвала до подошвы фундамента должно составлять не менее 0,5 м.

1. Комплексный совместный расчет надземного строения, фундамента и грунтового основания.

Рисунок 1. Расчетная схема рамы:

Жесткости С_z, С_j и С_х упруго податливых связей, моделирующих работу грунтового основания, назначаются из уравнений:

где А_f, I_f - соответственно площадь подошвы фундамента и момент инерции этой площади относительно оси, нормальной к плоскости изгиба; S, j, D - вертикальное перемещение, угол поворота и горизонтальное смещение фундамента.

Расчет системы ведется следующим образом.

1. выполнить анализ местных условий строительства;

2. проанализировать технологическое назначение и конструктивное решение сооружения;

3. определить нагрузки, передаваемые на фундамент;

4. наметить возможные варианты оснований и фундаментов;

6. выбрать оптимальный вариант оснований и фундаментов;

7. рассчитать и разработать рабочие чертежи фундаментов для всего сооружения;

8. разработать сметную документацию, проекты производства работ и организации строительства.

Основанием сооружений называется толща природных напластований горных пород, которая воспринимает нагрузку от вышележащих конструкций и взаимодействует с ними. Основания называются естественными, если они сложены природными грунтами или скальными породами в условиях естественного залегания. Основания из предварительно уплотненных или закрепленных грунтов называются искусственно улучшенными.

Фундаментами называется подземная или подводная часть зданий и сооружений. Они устанавливаются на естественном или искусственно улучшенном основании и служат для передачи нагрузок на грунты основания. Обрез фундамента - верхняя граница между фундаментом и надфундаментным строением. Обрезом также называется и граница между отдельными уступами фундамента. Подошва фундамента - контактная поверхность фундамента и основания. Глубина заложения фундамента определяется расстоянием от подошвы фундамента до отметки найнизшего в период эксплуатации сооружения уровня поверхности грунтов. По СНиП 2.02.01-83 глубина заложения фундамента принимается от уровня естественной поверхности грунта при планировке подсыпкой или от отметки планировки при срезке грунта.

В соответствии со СНиП 2.02.01-83 расчет оснований и фундаментов по предельным состояниям является непременным условием их проектирования. Рассмотрим основные принципы проектирования оснований и фундаментов.

По жесткости и характеру деформаций все здания и сооружения можно подразделять на абсолютно жесткие, абсолютно гибкие и обладающие конечной жесткостью.

Абсолютно жесткие сооружения обусловливают равномерную осадку при симметричном загружении и сравнительной однородной сжимаемости основания. При неравномерной деформации основания они получают крен без изгиба конструкций (доменные печи, водонапорные башни на железобетонной плите и др.).

Абсолютно гибкие сооружения следуют за осадками грунта основания во всех точках контакта с поверхностью грунта. Если при этом развиваются неравномерные осадки, то в конструкциях сооружений не возникает дополнительных усилий или напряжений (земляные насыпи и др.).

Сооружения конечной жесткости при неравномерных деформациях могут получить искривления, в них возможно появление трещин при неполном учете возникновения дополнительных усилий. Они частично уменьшают неравномерность осадок в связи с некоторым перераспределением усилий по подошве фундаментов. Для таких сооружений очень важно учитывать совместную работу грунтов основания и несущих конструкций сооружений.