Лекция 3. Фундаменты мелкого заложения. Общие требования по проектированию. Конструирование столбчатых фундаментов.

1. Глубина заложения фундаментов. При назначении глубины заложения фундаментов учитываются следующие основные факторы: а) инженерно-геологические условия площадки строительства; б) климатические воздействия на верхние слои грунта; в) объемно- планировочные решения возводимого сооружения. Глубина заложения фундаментов принимается возможно минимальной.

Учет инженерно-геологических условий площадки строительства сводится к выбору самого верхнего слоя грунта, который по своим характеристикам может быть использован для передачи нагрузок от фундаментов.

Объемно-планировочные решения возводимого сооружения могут предусматривать устройство технических подполий, подвалов и других заглубленных частей сооружения, которые диктуют минимальную глубину заложения фундаментов. При заложении смежных фундаментов на разной глубине (рис.3.1) разность отметок заложения должна удовлетворять

Рис. 3.1. Схема расположения смежных фундаментов на разной глубине.

P_I

^{h C}I^{, }I

a

условию:

h a (tg  _I

• c_I

p_I ) ,

(3.1)

где а – расстояние в свету между смежными фундаментами;

_I, c_I, p_I – расчетные значения для предельных состояний первой группы угла внутреннего трения, сцепления и среднего давления на грунт под подошвой выше расположенного фундамента.

Климатические воздействия на верхние слои грунта могут вызывать его морозное пучение, вызываемое расширением поровой воды при ее охлаждении в диапазоне +4С - 0С. Грунты, обладающие таким свойством, называют пучинистыми. При наличии на площадке строительства пучинистых грунтов глубину заложения фундаментов следует назначать ниже отметки сезонного промерзания грунта.

В соответствии с нормами на проектирование оснований нормативная глубина промерзания грунта d_fn определяется одним из следующих способов:

1. по данным наблюдений как средняя величина из ежегодных (не менее

10 лет) максимальных глубин сезонного промерзания под оголенной от снега поверхностью;

2. по карте нормативных глубин сезонного промерзания условного грунта, в качестве которого принята глина, с последующей корректировкой этой величины по виду грунта;

3. по формуле:

^d fn

d₀ 

M _t ,

(3.2)

где M_t – безразмерный коэффициент, равный сумме абсолютных среднемесячных отрицательных температур за зимний период в районе строительства; d₀ – глубина промерзания при M_t =1, принимаемая равной: 0,23 м для глин и суглинков; 0,28 м для супесей и песков пылеватых и мелких; 0,3 м для песков средней крупности, крупных и гравелистых; 0,34 м для крупнообломочных грунтов.

Значение нормативной глубины промерзания в случае ее нахождения по карте уточняется по формуле:

^d fn

d ^d0 ,

fn (0,23) _0,23

(3.3)

где d_{fn (0,23)} – нормативная глубина промерзания грунта, принятая по карте для условного грунта (глины).

Расчетное значение глубины промерзания определяется по формуле:

d _f k_h  _c d _fn ,

(3.4)

где k_h – коэффициент влияния температурного режима здания на промерзание грунта у наружной стены; _с – коэффициент условий работы, учитывающий изменчивость климата в районе строительства.

Глубина заложения фундаментов устанавливается по расчетному значению глубины промерзания грунта в зависимости от вида и состояния грунта и уровня грунтовых вод в соответствии с таблицей 3.1:

Таблица 3.1. Глубина заложения подошвы фундаментов d

№ по пор.	Грунты под подошвой фундамента до глубины df	Расстояние от поверхности планировки до уровня подземных вод dw, м	Глубина залегания подошвы фундамента d, м
1	Скальные, пески гравелистые, крупные и средней крупности	любое	любая
2	Пески мелкие и пылеватые, супеси твердые	df + 2	любая
3	Пески мелкие и пылеватые, супеси твердые	df + 2	df
4	Суглинки и глины полутвердые и твердые	df + 2 df + 2	0,5 df df
5	Супеси пластичные и текучие, суглинки и глины текучие, текучепластичные, мягкопластичные и тугопластичные	любое	df

Данные таблицы 3.1 интерпретированы для удобства использования в виде схем на рис. 3.2.

DL

_{d - любое} d - любое

WL

любое

WL d_f+2 WL d_f+2

WL>d_f+2 ^WL>d_f⁺²

WL

любое

Вид грунтов

Скальные, пески гравелистые, крупные и средней крупности

Пески мелкие и пылеватые, супеси твердые

Суглинки и глины полутвердые и твердые

Супеси пластичные и текучие , суглинки и глины текучие, текучепластичные, мягкопластичные и тугопластичные

Рис. 3.2. Схема к определению глубины заложения фундамента по климатическому фактору: d_f – расчетная глубина промерзания; d – глубина заложения фундамента; DL – планировочная отметка; WL – отметка уровня грунтовых вод.

2. Расчетное сопротивление грунта. Представляет собой максимальную величину среднего давление по подошве фундаментов, до достижения которой справедлива линейная зависимость между давлениями на грунт и его осадками. Определяется как величина, близкая к первому критическому давлению, по формуле (см. также рис. 3.3):

DL

^b d_b 2м

d₁

d₁

B 20 м

Рис. 3.3. Схема к определению расчетного сопротивления грунта: d₁ – глубина заложения фундамента; d_b – глубина подвала; В – ширина подвала; С_II, _II – прочностные характеристики несущего слоя;

_II,1, _II,2 – удельные веса слоев грунта подлежащие осреднению по глубине сжимаемой толщи;

DL – планировочная отметка;

ВС – нижняя граница сжимаемой

ИГЭ-1 ИГЭ-2

^СII ^{, }II ^{, }II,1

^II,2

толщи.

ВС

_{R }^ c1 ^ c 2 _M

_k 

• k _z

• b  _II

• M _q

• ^d1 II

• (M _q

1) d_{b II}

• M _c

• c_II ,

(3.5)





'

'

где_с1,_с2 – коэффициенты условий работы, принимаемые по нормам на проектирование оснований;k – коэффициент, равный единице, если прочностные характеристики грунта определены из опыта, и 1,1, если они приняты по справочным данным;M_,M_q,M_c – табличные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта;k_z – коэффициент, зависящий от ширины подошвы фундаментаb и принимаемый равным единице, еслиb 10 м;c_II – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента;

d_b – глубина подвала, измеряемая от уровня планировки до пола подвала (при ширине подвала более 20 м принимается равной нулю, в остальных случаях не более 2 м);

d₁ – глубина заложения фундаментов бесподвальных зданий или приведенная глубина заложения от пола подвала, определяемая по формуле:

d₁ 

h_s h_cf

^ cf



,

'

II

(3.6)

где h_s – толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала;

h_cf – толщина конструкции пола подвала;

_cf – расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала.

Входящая в формулу (3.5) расчетная величина удельного веса грунта _II определяется как осредненное значение для слоев грунта, слагающих сжимаемую толщу ниже подошвы фундамента, по формуле:

^ II

n

^ II , i ^hi

i1

n

_h_i ,

i1

(3.7)

где _{II, i} и h_i – соответственно удельный вес, определяемый при необходимости с учетом взвешивающего действия воды, и толщина i ^{– го} слоя грунта. Допускается осреднять значение _II на глубине, равной половине ширины подошвы фундамента; n – количество слоев грунта в сжимаемой толще.



II

Входящая в формулу (3.5) величина удельного веса^'

определяется по

формуле (3.7) для грунтов выше подошвы фундаментов, т.е. для грунтов обратной засыпки. Если подошва фундамента имеет форму круга или правильного многоугольника площадью А, в формуле (3.5) используется приведенная ширина фундамента b, равная корню квадратному из площади подошвы А.

3. Прочность подстилающего слоя. При наличии впределах сжимаемой толщиоснования на глубине z от подошвы фундамента слоя грунта меньшей прочности, чем прочность грунтов вышележащих слоев (рис. 3.4), размеры фундаментов должны назначаться таким образом, чтобы выполнялось условие:

^o zp ^ zg

R_z

(3.8)

где _zp и _zg – вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента соответственно дополнительные от нагрузки на фундамент и бытовые от собственного веса грунта; R_z – расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z, вычисляемое по формуле (3.5) для условного фундамента шириной b_z. Ширина условного фундамента вычисляется по формуле:

N

^zg,z

z

A_z

B_z

DL

С_II , _II , R

^zp^,z

^СII,z ^{, }II,z ^{, R}z

Рис. 3.4. Схема к проверке прочности подстилающего слоя: z – глубина залегания подстилающего слоя;

С_II , _II , R – прочностные характеристики и расчетное сопротивление несущего слоя; С_II,z , _II,z , R_z - прочностные характеристики и расчетное сопротивление подстилающего слоя;

b_z, A_z – ширина и площадь подошвы условного фундамента.

b_z 

A a ²

• a ;

A_z 

N _;

^o zp

_{a }l b _,

2

(3.9)

z

гдеN – суммарная вертикальная нагрузка на основание от фундамента;

l, b – соответственно длина и ширина фундамента.

4. Несущая способность основания. Расчет несущей способности основания в общем случае выполняется графоаналитическими методами круглоцилиндрических или ломаных поверхностей скольжения. При этом сила предельного сопротивления основания по поверхности скольжения определяется по формуле:

  (

• u) tg  _I

• c_I

, (3.10)

где  - нормальное напряжение на поверхности скольжения; u – избыточное давление в поровой воде; _I, c_I – расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта, соответствующие стабилизированному состоянию основания.

Величина избыточного давления в поровой воде u определяется в соответствии с теорией фильтрационной консолидации грунтов (лекция № 8 курса "Механика грунтов") и в стабилизированном состоянии грунта равна нулю. Для медленно уплотняемых водонасыщенных грунтов допускается (в запас прочности) принимать величину избыточного давления в поровой воде u равной нормальному напряжению на поверхности скольжения .

В расчетах на прочность (рис. 3.5) предварительно определяется угол наклона к вертикали  равнодействующей внешней нагрузки на основание:

tg 

^Fh ,

F_v

(3.11)

где F_h и F_v – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие внешней нагрузки на основание F в уровне подошвы фундамента. Если tg  sin _I, следует производить расчет фундамента на сдвиг по подошве (см. лекцию № 6 курса "Механика грунтов"). При этом в составе сдвигающих сил следует учитывать активное давление грунта на боковую поверхность фундамента, а в составе удерживающих сил пассивное давление грунта. Активное давление грунта также учитывается в составе горизонтальных нагрузок в расчетах на прочность основания в случае неодинаковой пригрузки с разных сторон фундамента.

q 0,5R

h_f

M_y=F_hxh_f

F



F_v

F_h

F_v

z

плоскость скольжения

M_x=F_hyh_f

х

Рис. 3.5. Схема к проверке несущей способности основания жесткого фундамента:

F, F_v, F_h, F_hx, F_hy – сила, действующая на фундамент и ее

y

^{l F}hx

F_h

b

^Fhy

y

e_l 

M _y

e_b 

Fv

M _x

Fv

х

проекции;

M_x, M_y – изгибающие моменты на уровне подошвы фундамента от действия горизонтальных сил;

h_f, b, l – высота и размеры фундамента в плане;

q – больший пригруз на основание;

e_b, e_l – эксцентриситеты приложения силы F_v при замене ею действия силы F.

Для фундаментов с плоской подошвой на однородном на глубину не менее ширины подошвы основании при интенсивности большей пригрузки, не превышающей 0,5R (R – расчетное сопротивление основания), а также при tg  < sin _I вертикальную составляющую силы предельного



'

сопротивления основания в стабилизированном состоянии допускается определять по формуле:

u





N b^' l ^' (N 

b^' 

• N_q _{q I}

d N_c _c

c_I );

b

I

b^' b 2e ;

(3.12)

l

l ^' l 2e ,

где e_b и e_l – соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента; b и l – соответственно ширина и длина фундамента; N_, N_q , N_c – безразмерные коэффициенты несущей способности основания, определяемые по таблицам в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта _I и угла наклона к вертикали

 равнодействующей внешней нагрузки на основание в уровне подошвы

I

фундамента;_I и ^' - расчетные значения удельного веса грунта соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяются с учетом взвешивающего действия воды);c_I – расчетное значение удельного сцепления грунта;d – глубина заложения фундамента со стороны меньшего пригруза.

Безразмерные коэффициенты формы подошвы фундамента _, _q, _c, входящие в формулу (3.12), определяются в соответствии со следующими выражениями:

 1 ^0,25 ;

 _

 1 ^1,5 ;

q _

 1 ^0,3 ;

c _

 ^l

b

1,

(3.13)

где длина l и ширина b подошвы фундамента в случае внецентренного приложения равнодействующей внешней нагрузки принимаются равными их приведенным значениям l^’ и b^’ по формуле (3.12).

5. Конструирование столбчатых фундаментов. Столбчатый фундамент (рис. 3.6) состоит из плиты и подколонника.

Плита предназначена для передачи нагрузок на основание. Подколонник предназначен для сопряжения фундамента с колонной. При большой толщине плиты она выполняется переменного сечения (рис. 3.6, б). Наиболее распространенным типом переменного сечения плиты является ступенчатое сечение. В проектировании широко используются типовые конструкции сборных и монолитных столбчатых фундаментов. В промышленном строительстве толщина плиты назначается кратной модулю 300 мм. Это

требование не является обязательным, так как фундаменты, как и другие строительные конструкции, могут проектироваться с использованием кратных и дробных модулей, получаемых из основного модуля 100 мм, принятого в строительстве. Таким образом, назначение толщины плиты по данным расчета, например, 120 мм не является нарушением норм строительного проектирования, а, напротив, направлено на создание экономичных фундаментных конструкций.

_а) б)

N ^{подколонник}

¹ 1 2 ²

h₃

h_f ^плита _{h2 h} ^h 45 ^h1

_{по 1 - 1} по 2 - 2

^luc

l

^buc

^buc

^luc

_b b

Рис. 3.6. Конструктивные элементы столбчатого фундамента: а - с плитой постоянного сечения; б – с плитой переменного сечения; l, b, h_f – длина, ширина и высота фундамента; h, h₁, h₂, h₃ – высота плиты и ее ступеней; l_uc, b_uc – длина и ширина сечения подколонника.

Подколонник по своей конструкции может быть стаканного типа или цельным (монолитным). Конструкция подколонника определяется узлом сопряжения фундамента с колонной. Подколонник стаканного типа устраивается для сопряжения фундамента со сборным элементом колонны, который омоноличивается в стакане (рис. 3.7). Глубина стакана определяется расчетом и должна быть не менее большего размера поперечного сечения сборного элемента (колонны) плюс 50 мм. Величина 50 мм представляет собой допуск на точность монтажа (устройства) фундамента по вертикали, позволяющий выверять положение колонны за счет подливки под ее

основанием. С целью обеспечения надежного замоноличивания колонны в стакане он выполняется с наклонными внутренними гранями. При этом минимальный размер между стенкой стакана и гранью колонны принимается 50 мм в верхнем сечении и 25 мм в нижнем сечении. Для колонн сечением 600 мм и более указанные размеры соответственно составляют 75 мм и 50 мм. Толщина стенок стакана принимается, как правило, не менее 150 мм. Размеры стакана могут быть увеличены в большую сторону для опирания фундаментных балок. Фундаментной балкой называют пролетную

min 150 мм

1

50(75) мм

min 150 мм

1

колонна

^luc

50 мм

45

25(50) мм

по 2 - 2

45

Рис. 3.7. Конструктивные параметры подколонника стаканного типа: на рис. обозначены рекомендуемые размеры для гражданских зданий, в скобках – то же для промышленных зданий.

min 150 мм

₂ 50(75) мм ₂

50(75) мм

min 150 мм

^{25(50) мм} 25(50) мм

по 1 - 1

фундаментную конструкцию, предназначенную для опирания на нее конструкций самонесущих стен. Для опирания фундаментных балок используются также подбетонки и кирпичные столбы, передающие нагрузки на плиту фундамента.

Цельные подколонники устраиваются при сопряжении фундаментов с колонной путем стыковки рабочей арматуры (рис. 3.8, а) или при сопряжении фундамента с базой колонны с помощью анкерных болтов (рис. 3.8, б).

.

а) ^б)

сетки косвенного армирования

бетон омоноличивания

колонна

выпуски арматуры

ванная сварка

база

анкерные болты

подколонник

Рис. 3.8. Схемы сопряжения цельного подколонника с колонной: а – с помощью выпусков арматурных стержней; б – с помощью анкерных болтов

При высоком фундаменте подколонник может иметь рамную конструкцию. В первом случае из подколонника предусматриваются выпуски арматуры, которые стыкуются с рабочей арматурой колонны. Во втором случае из подколонника выпускаются анкерные болты, с помощью которых и осуществляется сопряжение фундамента с базой, как правило, металлической колонны.

Сборно-монолитное сопряжение фундамента с колонной (рис. 3.9) предусматривает устройство расчетных шпонок (кольцевых углублений) по

бетон омоноличивания (шпонок)

колонна

рифленые поверхности для образования шпонок

подколонник

Рис. 3.9. Схема устройства сборно – монолитного сопряжения колонны с подколонником стаканного типа.

внутренним граням стакана и по наружным граням сборной колонны. При омоноличивании стакана между гранями сопрягаемых элементов образуется бетонная шпонка, равномерно передающая вертикальные усилия от колонны на фундамент по всей высоте стакана. Сборно-монолитное сопряжение приравнивается в расчетах по схеме передачи нагрузки на фундамент к

а) ^{б) N}

N

бетонная подготовка

50 мм

45 _45 45(36) ^45(36)

уплотненный грунт

Рис. 3.10. Классификация столбчатых фундаментов по жёсткости: а – гибкий фундамент; б – жёсткий фундамент; 45 - угол наклона плоскости продавливания для бетонного фундамента; 36 - то же, для каменного фундамента.

конструкции цельного (монолитного) подколонника. В отличие от этого в сопряжениях стаканного типа без шпонок выполняется проверка на продавливание фундамента непосредственно под пятой колонны.

Различают жесткие и гибкие столбчатые фундаменты. Преимущественным напряженным состоянием жесткого фундамента является одноосное сжатие. В гибких фундаментах преимущественным напряженным состоянием является поперечныйизгиб плиты. Тип фундамента по жесткости может быть определен графическим способом (рис.3.10) по углу наклона к вертикали линии, проведенной от грани подколонника к крайней точке подошвы фундамента. Если этот угол меньше 45для бетонного фундамента и примерно 36для каменного фундамента (значение этого угла зависит от вида каменной кладки), фундамент считается жестким. При этом тело фундамента в пределах пирамиды, ограниченной гранями, на которых лежат указанные наклонные линии, должно быть цельным. Жесткими выполняются, какправило, каменные и бетонные фундаменты, материал которыхплохо сопротивляется растягивающим напряжениям. Железобетонные фундаменты проектируются, какправило, гибкими. Жесткие фундаменты имеют большую высоту по сравнению с гибкими фундаментами и являются по этой причине более материалоемкими.

Фундаменты устраиваются на предварительно уплотненном основании по бетонной подготовке. Толщина бетонной подготовки принимается не менее 50 мм и зависит от качества подготовки основания, в первую очередь от плоскостности или степени ровности основания. Для уплотнения водонасыщенных грунтов основания используются грунтовые подушки, изготавливаемые из песка или щебня, толщиной 100 – 300 мм.