С какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Дается по Руководству по проектированию оснований зданий и сооружений,  составленному в развитие главы СНиП II-15-74 «Основания зданий и сооружений» и приводит рекомендации, детализирующие эти нормы проектирования по вопросам номенклатуры грунтов и методов определения расчетных значений их характеристик; принципов проектирования оснований и прогнозирования изменения уровня грунтовых вод; вопросов глубины заложения фундаментов; методов расчета оснований по деформациям и по несущей способности; особенностей проектирования оснований зданий и сооружений, возводимых на региональных видах грунтов, а также расположенных в сейсмических районах и на подрабатываемых территориях.

РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

3.289(3.4). Расчет оснований по несущей способности должен производиться в случаях, если:

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

б) фундамент или сооружение в целом расположены на бровке откоса или вблизи крутопадающего слоя грунта;

в) основание сложено водонасыщенными глинистыми и заторфованными грунтами, указанными в п. 3.76 настоящей главы (п. 6.13 Рук.);

г) основание сложено скальными грунтами.

Расчет оснований по несущей способности в случаях, перечисленных в подпунктах «а» и «б» п. 3.4 настоящей главы (п. 3.289 Рук.), допускается не производить, если конструктивными мероприятиями обеспечена невозможность смещения рассматриваемого фундамента.

Примечание.

Если проектом предусматривается возможность выполнения работ по возведению здания или сооружения непосредственно после устройства фундаментов до обратной засыпки грунтом пазух котлованов, должна производиться проверка несущей способности основания по нагрузкам, фактически действующим в процессе строительства.

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.28. Конструктивные мероприятия, препятствующие смещению фундаментов

а — наличие бетонного пола в подвале; б — жесткое крепление стенки откоса; в — пространственно жесткая система фундаментно-подвальной части здания (план)

3.290. К конструктивным мероприятиям, обеспечивающим невозможность горизонтального смещения фундамента, относятся:

устройство полов в подвале здания (рис. 3.28, а);

введение затяжек в распорные конструкции;

жесткое закрепление откоса (рис. 3.28, б);

объединение фундаментов в единую систему пространственно жесткой и прочной надфундаментной конструкцией, например при фундаментно-подвальной части здания с частым шагом поперечных стен на фундаментах в виде железобетонных перекрестных лент — рис. 3.28, в (в последнем случае обеспечивается также невозможность и вертикального смещения отдельного фундамента на участке между пересечениями поперечных стен) и т. п.

3.291(3.72). Целью расчета оснований по несущей способности (т. е. по первой группе предельных состояний) является обеспечение прочности оснований и устойчивости нескальных оснований, а также недопущение сдвига фундаментов по подошве и его опрокидывания, что сопровождается, как правило, значительными перемещениями отдельных фундаментов или сооружений в целом, при которых эксплуатация последних становится невозможной. Принимаемая в расчете схема разрушения основания (при достижении им предельного состояния) должна быть как статически, так и кинематически возможна для данного фундамента или сооружения.

3.292(3.73). Расчет оснований по несущей способности производится исходя из условия:

(3.87)(22)

где N — расчетная нагрузка на основание, определяемая по указаниям пп. 3.6-3.9 настоящей главы (пп. 3.14-3.23 Рук.);

Ф
— несущая способность основания;


— коэффициент надежности, устанавливаемый проектной организацией в зависимости от ответственности здания или сооружения, значимости последствий исчерпания несущей способности основания, степени изученности грунтовых условий и принимаемый не менее 1,2.

3.293(3.74). Несущая способность (прочность) оснований, сложенных скальными грунтами Ф, независимо от глубины заложения фундаментов вычисляется по формуле:

(3.88)(23)

где Rc
— расчетное значение временного сопротивления образцов скального грунта сжатию в водонасыщенном состоянии, определяемое в соответствии с требованиями пп.3.13-3.15 настоящей главы (пп. 3.53-3.59 Рук.);

 — соответственно приведенные ширина и длина фундамента, вычисляемые по формулам:

(3.89)(24)

(3.90)(25)

где el и eb
— соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок в направлении продольной и поперечной осей фундамента.

3.294. Несущая способность скальных оснований по формулам (3.87) (22) и (3.88) (23) определяется из условия, чтобы среднее давление по приведенной подошве фундамента не превосходило временного сопротивления образцов скального грунта сжатию, определяемого в условиях одноосных испытаний.

3.295. Приведенные размеры фундамента при внецентренной нагрузке определяются из условия, чтобы равнодействующая всех сил оказывалась в центре тяжести приведенной прямоугольной подошвы фундамента (рис. 3.29).

Подошва фундамента сложного очертания должна при этом предварительно приводиться к эквивалентной по площади прямоугольной форме. Для круглого фундамента эквивалентной формой будет квадрат, а приведенной (для случая внецентренного расположения равнодействующей) — прямоугольник по рис. 3.30.

3.296(3.75). Несущая способность основания, сложенного нескальными грунтами, должна определяться исходя из условия, что в грунте образуются поверхности скольжения, охватывающие всю подошву фундамента или сооружения; при этом считается, что соотношение между нормальными р и касательными напряжениями т по всей поверхности скольжения, соответствующее предельному состоянию основания, подчиняется зависимости

Где φI и cI
— расчетные значения соответственно угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта, определяемые согласно требованиям пп. 3.13-3.15 настоящей главы (пп. 3.53-3.58 Рук.).

3.297(3.77). Несущая способность оснований из нескальных грунтов определяется на основе теории предельного равновесия грунтовой среды. При этом должны различаться случаи, когда допускается применять:

а) аналитические решения ;

б) графоаналитические методы с построением круглоцилиндрических поверхностей скольжения (в случаях и по указаниям п. 3.79 настоящей главы (пп. 3.308-3.312 Рук.).

3.298. Наиболее строгими методами определения величины несущей способности являются методы, основанные на теории предельного равновесия сыпучей среды. Поверхности скольжения в этом случае не задаются произвольно, а определяются в результате решения системы дифференциальных уравнений предельного равновесия. Однако строгие аналитические решения получены только для отдельных случаев, т. е. для ленточного фундамента при центральном загружении вертикальной или наклонной нагрузкой и круглого фундамента при центральном загружении вертикальной нагрузкой. Любые другие случаи загружения, формы фундамента в плане и характера основания учитываются в этих решениях эмпирическими коэффициентами, либо путем использования инженерных методов оценки несущей способности оснований.

3.299. При расчете несущей способности основания следует учитывать, что возможны различные схемы потери устойчивости, например, в виде плоского сдвига по подошве фундамента (или ниже ее) или по схеме глубинного сдвига по тем или иным поверхностям скольжения, огибающим фундамент и прилегающий к нему массив грунта.

Направление сдвига может быть также различно — в сторону горизонтальной составляющей равнодействующей всех сил или в сторону действия момента (в сторону, противоположную эксцентриситету).

Параметры элементов поверхностей скольжения могут быть известны или же заданы исходя из тех или иных теоретических предпосылок и. допущений и уточнены путем последовательных попыток расчета при поиске минимально возможной несущей способности основания для выбранной схемы потери устойчивости.

3.300. При выборе схемы потери устойчивости следует учитывать характер нагрузок и их равнодействующей (вертикальность, наклон, эксцентриситет), форму фундамента (ленточный, прямоугольный и пр.), характер подошвы фундамента (горизонтальность, наклон, наличие зуба и пр.), наличие связей фундамента с другими элементами здания или сооружения, ограничивающих возможность потери устойчивости, характеристику основания — вид и свойства грунтов, однородность геологического строения, наличие и наклон слоев и слабых прослоек, наличие откосов грунта вблизи фундамента и пр.

3.301. Основания ленточного фундамента следует проверять на устойчивость только в направлении короткой стороны (ширины) фундамента, а прямоугольного, квадратного и круглого — в направлении действия момента либо наклона равнодействующей (направления ее горизонтальной составляющей).

При проверке несущей способности основания фундамента следует учитывать, что потеря устойчивости может происходить по трем возможным вариантам (в зависимости от соотношения вертикальной и горизонтальной составляющих равнодействующей, а также величины эксцентриситета):

плоский сдвиг по подошве;

глубокий сдвиг в направлении горизонтальной составляющей нагрузки;

глубокий сдвиг в направлении момента.

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.29. Схема для определения приведенных размеров прямоугольного фундамента

а — ширины b; б- длины l

Рис. 3.30. Схема для определения приведенных размеров круглого фундамента

Проверку устойчивости основания отдельного фундамента следует производить с учетом работы основания всего сооружения в целом. Например, основание фундамента здания, примыкающего к подпорной стенке, следует рассчитывать по устойчивости вместе с основанием подпорной стенки. Призма обрушения в этом случае может быть ориентировочно ограничена поверхностью ABC (рис. 3.31).

3.302(3.78). Несущую способность оснований Ф для вертикальной составляющей нагрузки допускается определять с применением аналитических решений, если основание сложено нескальными однородными грунтами, находящимися в стабилизированном состоянии, и фундаменты имеют плоскую подошву, а пригрузка с разных сторон фундамента отличается по величине не более чем на 25%, пользуясь формулой:

(3.92)(28)

где                 —     обозначения те же, что и в формуле (3.88) (23);

A1,B1,D1,  —              безразмерные коэффициенты, определяемые по формулам;

A1 = λγiγnγ;

(3.93)(29)

B1 = λqiqnq;

(3.94)(30)

D1 = λcicnc,

(3.95)(31)

λγ,λq,λc
— коэффициенты несущей способности, зависящие от расчетного значения угла внутреннего трения φI грунтов основания;

iγ,iq,ic
— коэффициенты влияния угла наклона нагрузки, зависящие от расчетного значения угла внутреннего трения грунтов основания φI и угла наклона к вертикали δ равнодействующей всех нагрузок на уровне подошвы фундаментов;

nγ,nq,nc
— коэффициенты влияния соотношения сторон подошвы прямоугольного фундамента;

 — расчетные значения объемного веса грунтов, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента, определяемые (при наличии грунтовых вод) для песчаных грунтов с учетом взвешивающего действия воды;

cI
— расчетное значение удельного сцепления грунта;

h — глубина заложения фундамента; в случае неодинаковой вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента принимается значение h, соответствующее наименьшей пригрузке (например, со стороны подвала).

Примечание.

Коэффициенты несущей способности λ, влияния угла наклона нагрузки i и влияния соотношения сторон подошвы фундамента n определяются по формулам и графикам прил. 5 «Коэффициенты для расчета несущей способности оснований» (п. 3.303 Рук.).

Рис. 3.31. Схема потери устойчивости основания системы «подпорная стенка — фундамент» примыкающего сооружения

3.303(прил. 5). Коэффициенты для расчета по формуле (3.92)(28) несущей способности оснований, сложенных нескальными однородными грунтами, находящимися в стабилизированном состоянии, определяются следующим образом:

а) λγ, λq и λc — коэффициенты несущей способности — по графику рис. 3.32 (1 прил. 5) в зависимости от tgφI, где φI — расчетное значение угла внутреннего трения, определяемое по пп. 3.13-3.15. (пп. 3.53-3.58 Рук.);

б) iγ, iq и ic — коэффициенты влияния наклона нагрузки — по графикам рис. 3.33-3.35 (2 прил. 5) в зависимости от tgφI и tgδ (где δ — угол наклона к вертикали равнодействующей всех сил, действующих на фундамент в уровне его подошвы);

в) nγ, nq и nc — коэффициенты влияния соотношения сторон фундамента — по формулам:

(3.96)
(1 прил. 5)

(3.97)
(2 прил. 5)

(3.98)
(3 прил. 5)

где

здесь l и b — длина и ширина подошвы фундамента, принимаемые в случае внецентренного приложения равнодействующей равными приведенным значениям  и , определяемым согласно указаниям п. 3.74 настоящей главы (п. 3.292 Рук.).

Если значение n = l/b5 фундамент рассматривается как ленточный и коэффициенты nγ, nq и nc принимаются равными единице;

б) при угле наклона равнодействующей δ больше угла φI расчет по несущей способности следует производить на плоский сдвиг в соответствии с указаниями пп. 3.315 и 3.316 (3.81);

в) если к фундаменту приложены горизонтальная сила Т и момент М, приведенные размеры фундаментов вычисляются по формулам (3.89) (24) и (3.90) (25) независимо от направлений смещений, вызываемых горизонтальной силой и моментом.

г) за сторону фундамента, вводимую в первый член формулы (3.92) (28), принимается та сторона, в направлении которой ожидается потеря устойчивости (сдвиг грунта по поверхности скольжения). Вследствие этого под понятием ширина фундамента и символом «b» в этом расчете должна приниматься не меньшая, а большая сторона фундамента, если, например, момент сил и горизонтальная сила будут действовать вдоль длинной, а не короткой стороны фундамента.

Приведенные значения размеров подошвы фундамента  и определяются по указаниям пп. 3.292 и 3.293 (3.74).

3.305. Формулу (3.92) (28) допускается применять для ориентировочной оценки несущей способности основания в случае, когда пригрузка с разных сторон фундамента отличается более чем на 25% (например, для основания стен подвала). Однако этот расчет не исключает необходимости определения несущей способности основания методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения или другими, более строгими методами.

При использовании формулы 3.92(28) для ориентировочного определения несущей способности в указанном случае необходимо учитывать горизонтальное давление грунта (в состоянии покоя) с обеих сторон фундамента.

3.306. Взвешивающее действие воды при определении объемного веса песчаного грунта учитывается при уровне грунтовых вод как выше, так и ниже подошвы фундамента; в последнем случае при условии, что этот уровень будет ниже подошвы фундамента не более чем на двойной размер той стороны фундамента, вдоль которой может происходить потеря устойчивости.

При промежуточном положении уровня грунтовых вод объемные веса грунта γ’I и γI должны определяться как средневзвешенные.

Пример расчета несущей способности основания прямоугольного фундамента по формуле (3.92) (28)

а) Уровень грунтовых вод расположен ниже подошвы фундамента на 3,5 м.

Основание сложено песком средней крупности с коэффициентом пористости е = 0,60 и следующими характеристиками для расчета оснований по несущей способности: угол внутреннего трения φI = 33,5°; удельное сцепление cI = 0,l тс/м2; объемный вес грунта, расположенного ниже фундамента, γI = 1,72 тс/м3 и выше подошвы — γ’I = 1,61 тс/м3.

Эти же характеристики для расчета по деформациям: φII = 35°; cII = 0,2 тс/м2; γII = 1,8 тс/м3 и γ’II = l,7 тс/м3.

Размеры подошвы фундамента: l = 0,8 м и b = 1,6 м (рис. 3.36). Глубина заложения фундамента h = 1 м. Площадь подошвы фундамента равна F = 0,8·1,6 = 1,28 м2. Символом «b» обозначена сторона фундамента, направление которой совпадает с направлением действия момента и возможным направлением потери устойчивости (выпора грунта).

Равнодействующая вертикальных расчетных нагрузок равна NI = 22 тс и горизонтальных TI = 12,5 тс. Сумма моментов всех сил равна MI = 4,2 тс·м.

Для расчетов по деформациям эти нагрузки соответственно равны NII = 19 тс и МII = 3,6 тс·м.

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.32 (1 прил. 5). Графики для определения коэффициентов несущей способности
λγ, λq и λc

Давление по подошве фундамента от расчетных нагрузок

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.33 (2«a» прил. 5). Графики для определения коэффициента влияния наклона нагрузки iγ

Размеры фундамента были подобраны из расчета основания по деформациям. При этом расчетное давление R по формуле (3.38) (17) при φII = 35°, cII = 0,2 тс/м2 и коэффициентах m1 = 1,4 и m2 = kн = 1 равно

R = 1,4(1,68·0,8·1,8+7,72·1·1,7+9,59·0,2) = 1,4(2,45+13,2+1,92) = 1,4·17,6 = 24,6 тс/м2>pII = 14,8 тс/м2.

Наибольшее краевое давление от нагрузок для расчета основания по деформациям равно

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.34 (2«б» прил. 5). Графики для определения коэффициента влияния наклона нагрузки iq

Эксцентриситет равнодействующей вертикальных расчетных нагрузок (NI = 22 тс) равен

Приведенная ширина подошвы фундамента

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.35 (2«в» прил. 5). Графики для определения коэффициента влияния наклона нагрузки ic

Угол наклона равнодействующей к вертикали δ находим по отношению горизонтальных нагрузок к вертикальным:

откуда δ = 30°, что близко к величине угла внутреннего трения грунта φI = 33,5°.

Для определения коэффициентов λ и i по графикам на рис. 3.32-5.35 (рис. 1-2 прил. 5) предварительно находим значения: tgφI = tg 33,5° = 0,663; tgδ = 0,57;

Тогда: λγ = 16; λq = 29; λc = 40; iγ = 0,45; iq = 0,18; iс = 0,15.

Значения коэффициентов nγ, nq и nc находим по формулам (3.96-3.98)(1-3 прил. 5) при n = 1, поскольку фактическое значение

с какой целью делают расчет фундаментов по несущей способности основания

Рис. 3.36. Схема к расчету несущей способности основания прямоугольного фундамента по формуле (3.92) (28)

а — схема фундамента и действующих нагрузок; б — схема для определения приведенных размеров подошвы фундамента

Тогда

A1 = λγiγnγ = 16·0,045·0,75 = 0,54

B1 = λqiqnq = 29·0,16·2,5 = 11,6

D1 = λcicnc = 40·0,15·1,3 = 7,8

Несущую способность основания определяем по формуле (3.92) (28):

Ф = 1,22·0,8(0,54·1,22·1,7+11,6·1·1,6+7,8·0,1) = 0,97(1,12+18,5+0,78) = 0,97·20,4 = 19,8 тс.

Средняя величина предельного давления под подошвой фундамента составит (соответственно по приведенной  и фактической bl площадям):

Коэффициент надежности kн равен

Расчет основания по несущей способности показывает, что размеры фундамента, подобранные из расчета по деформациям, являются недостаточными и их следует увеличить.

Принимаем b = 1,8 м; l = 0,9 м.

Повторяем расчет основания по несущей способности.

Приведенная ширина подошвы фундамента

Соотношение сторон приведенного фундамента

поэтому коэффициенты A1, B1 и D1 остаются теми же, что в предыдущем варианте расчета.

Величина несущей способности составит

Ф = 1,42·0,9(0,54·1,42·1,7+11,6·1·1,6+7,8·0,1) = 1,28(1,3+18,5+0,78) = 26,4 тс.

Коэффициент надежности kн равен

Таким образом, в рассмотренном примере определяющим оказался расчет основания по несущей способности, и окончательные размеры фундамента на основе этого расчета принимаем равными b = 1,8 м; l = 0,9 м.

В случае возможного поднятия уровня грунтовых вод следует проверить принятые размеры фундамента исходя из расчета основания как по деформациям, так и по несущей способности. В этих расчетах в соответствии с пп. 3.184(3.53) и 3.302(3.78) объемный вес песка следует принимать с учетом взвешивающего действия воды.

3.307. Формула (3.92) (28) не распространяется на многослойные основания в общем случае загружения. Однако ее применение допускается при центральном загружении вертикальной нагрузкой двухслойного основания с более прочным верхним слоем, имеющим толщину (под подошвой фундамента) h

2.57.Целью расчета оснований по несущей способности являются обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Принимаемая в расчете схема разрушения основания (при достижении им предельного состояния) должна быть как статически, так и кинематически возможна для данного воздействия и конструкции фундамента или сооружения.

2.58.Расчет оснований по несущей способности производится исходя из условия

, (11)

где F— расчетная нагрузка на основание, определяемая по указаниям пп. 2.5-2.8;

— сила предельного сопротивления основания;

— коэффициент условий работы, принимаемый:

для песков, кроме пылеватых = 1,0

для песков пылеватых, а также пылевато-глинистых грунтов

в стабилизированном состоянии = 0,9

для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии = 0,85

для скальных грунтов:

невыветрелых и слабовыветрелых = 1,0

выветрелых = 0,9

сильновыветрелых = 0,8

— коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для зданий и сооружений I, II и III классов.

2.59.Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания, сложенного скальными грунтами, кН (тс), независимо от глубины заложения фундамента вычисляется по формуле

(12)

где Rc

расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта, кПа (тс/м2);

и

соответственно приведенные ширина и длина фундамента, м, вычисляемые по формулам:

(13)

здесь и

соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента, м.

2.60.Сила предельного сопротивления основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, должна определяться исходя из условия, что соотношение между нормальными и касательными напряжениямипо всем поверхностям скольжения, соответствующее предельному состоянию основания, подчиняется зависимости

, (14)

где и

соответственно расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта (пп. 2.12-2.14).

2.61.Сила предельного сопротивления основания, сложенного медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами (при степени влажности 0,85 и коэффициенте консолидациис107см2/год), должна определяться с учетом возможного нестабилизированного состояния грунтов основания за счет избыточного давления в поровой водеu. При этом соотношение между нормальнымии касательными напряжениями принимается по зависимости

, (15)

где и — соответствуют стабилизированному состоянию грунтов основания.

Избыточное давление в поровой воде допускается определять методами фильтрационной консолидации грунтов с учетом скорости приложения нагрузки на основание. При соответствующем обосновании (высокие темпы возведения сооружения или нагружения его эксплуатационными нагрузками,отсутствие в основании дренирующих слоев грунта или дренирующих устройств) допускается в запас надежности принимать избыточное давление в поровой воде равным нормальному напряжению по площадкам скольжения (u=) или принимать значенияи соответствующими нестабилизированному состоянию грунтов основания.

2.62.Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии,допускается определять по формуле (16),если фундамент имеет плоскую подошву и грунты основания ниже подошвы однородны до глубины не менее ее ширины,а в случае различной вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента интенсивность большей из них не превышает 0,5R ( R – расчетное сопротивление грунта основания,определяемое в соответствии с пп.2.41.-2.48):

(16)

где и

обозначения те же,что в формуле (12),причем символомb обозначена сторона фундамента,в направлении которой предполагается потеря устойчивости основания;

, ,

безразмерные коэффициенты несущей способности,определяемые по табл.7 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунтаI и угла наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки на основаниеF в уровне подошвы фундамента;

и

расчетные значения удельного веса грунтов,кН/м3 (тс/м3 ),находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяются с учетом взвешивающего действия воды);

расчетное значение удельного сцепления грунта,кПа (тс/м2 );

d

глубина заложения фундамента,м (в случае неодинаковой вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента принимается значениеd, соответствующее наименьшей пригрузке,например,со стороны подвала);

, ,

коэффициенты формы фундамента, определяемые по формулам:

; ;, (17)

здесь = l / b;

lи b

соответственно длина и ширина подошвы фундамента, принимаемые в случае внецентренного приложения равнодействующей нагрузки равными приведенным значениям , определяемым по формулам (13).

Если = l / b
Несущая способность грунтов оснований оценивается совместно с фундаментами и наземными конструкциями. Целью расчетов по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости грунтов основания, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Нарушение нормальной эксплуатации сооружений может произойти не только из-за накопления чрезмерных осадок, но также вследствие нарушения прочности основания при действии на фундамент значительных вертикальных и горизонтальных нагрузок. Таким образом, предельная нагрузка, которую способен выдержать грунт без разрушения, называется несущей способностью грунта.

На несущую способность основания влияют следующие факторы (по М.В. Малышеву, 1994):

  • вид нагрузки — вертикальная или наклонная, с горизонтальной составляющей;
  • эксцентричность приложения внешней нагрузки относительно центра тяжести площади подошвы фундамента;
  • размеры подошвы фундамента;
  • форма подошвы фундамента — прямоугольник, квадрат, круг, ленточный фундамент;
  • заглубление фундамента в грунт относительно дневной поверхности;
  • горизонтальность или уклон по отношению к горизонту плоскости подошвы фундамента (для фундаментов, воспринимающих сдвигающее усилие);
  • горизонтальность или уклон по отношению к горизонту дневной поверхности основания вокруг фундамента в пределах области, в которой возможно выпирание грунта из-под фундамента;
  • однородность грунтов основания, наличие горизонта подземных вод;
  • темп нагружения и другие факторы.

Согласно СНиП 2.02.01—83* несущая способность основания считается обеспеченной при выполнении условия:

       (8.58)

где F — равнодействующая расчетной нагрузки на основание; γс— коэффициент условий работы, принимается по табл. 8.12; Fu— сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки) основания; γn— коэффициент надежности по назначению сооружения, принимается равным 1,2; 1,15; 1,10 для сооружений I, II и III классов соответственно.

Таблица 8.12. Значения коэффициента условий работы (СНиП 2.02.01—83*)

Пески пылеватые, глинистые грунты в стабилизированном состоянии 0,9
Пески (кроме пылеватых) 1,0
Глинистые грунты в нестабилизированном состоянии 0,85
Скальный грунт:
   невыветрелый и слабовыветрелый
   выветрелый
   сильновыветрелый
1,0
0,9
0,8

Расчет оснований по несущей способности производится в следующих случаях (по СНиП 2.02.01—83*):

  • на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе систематические (дымовые трубы, башни, подпорные стены, устои и т.п.) (рис. 8.12 а, б);
  • сооружение расположено на откосе или вблизи откоса (рис. 8.12 в, г);
  • основание сложено водонасыщенными глинистыми грунтами при степени влажности Sr> 0,5 (рис. 8.12, д);
  • при действии на фундамент выдергивающей нагрузкой;
  • основание сложено скальными грунтами;
  • при проверке устойчивости естественных склонов (см. рис. 8.12 е).

Рис. 8.12. Случаи, при которых необходим расчет грунтов по несущей способности:
а — дымовые трубы, башни; б — подпорные стены; в — здания или сооружения на откосе; г — вблизи откоса; д — неглубокое заложение; е — потеря устойчивости; γ— поверхность скольжения грунта при потере устойчивости

В настоящее время для определения вертикальной составляющей Nu силы предельного сопротивления (несущей способности) основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, используют обобщенную формулу

                 (8.59)

где b’ и l’ — соответственно приведенные ширина и длина подошвы фундамента, вычисляемые по формулам

            (8.60)

где еb и еl — эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок (рис. 8.13); Nγ, Nq, Nc — безразмерные коэффициенты несущей способности, определяемые по табл. 8.13 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта I и угла наклона к вертикальной S равнодействующей внешней нагрузки F на основание b уровня подошвы фундамента (рис. 8.14); γ1 и γ’I — расчетный удельный вес грунтов, залегающих в пределах призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод учитывается взвешивающее действие воды); d — глубина заложения фундамента, причем при неодинаковой вертикальной пригрузке с разных сторон фундамента значение d принимают соответствующим наименьшей пригрузки (см. рис. 8.14,а);

ζγ, ζq, ζc — коэффициенты формы фундамента, определяемые по формулам:

     (8.61)

где η= l/b

Если η< 1, то в формулах (8.61) η принимается равным 1; при η > 5 фундамент рассматривается как работающий в условиях плоской задачи, тогда

ζγ = ζq = ζc = 1

Таблица 8.13 Коэффициенты несущей способности Nγ, Nq, Nc

0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
Nq
Nc
0,00
1,00
5,14
               
5
Nq
Nc
0,20
1,57
6,49
{0,05}
1,26
2,93
δ’ = 4,9º            
10
Nq
Nc
0,60
2,47
8,34
0,42
2,16
6,57
{0,12}
1,60
3,38
δ’=9,8º          
15
Nq
Nc
1,35
3,94
10,98
1,02
3,45
9,13
0,61
2,84
6,88
{0,21}
2,06
3,94
δ’=14,5º        
20
Nq
Nc
2,18
5,56
12,53
2,18
5,56
12,53
1,47
4,64
10,02
0,82 3
,64
7,26
{0,36}
2,69
4,65
δ’=18,9º      
25
Nq
Nc
4,50
9,17
17,53
4,50
9,17
17,53
3,18
7,65
14,26
2,00
6,13
10,99
1,05
4,58
7,68
{0,58}
3,60
5,58
δ’=22,9º    
30
Nq
Nc
12,39
18,40
30,14
9,43
15,63
25,34
6,42
12,94
20,68
4,44
10,37
16,23
2,63
7,96
12,05
1,29
5,67
8,09
{0,95}
4,95
6,85
δ’=26,5º  
35
Nq
Nc
27,50
33,30
46,12
20,58
27,86
38,36
14,63
22,77
31,09
9,79
18,12
24,45
6,08
13,94
18,48
3,38
10,24
13,19
{1,60}
7,04
8,63
δ’=29,8º  
40
Nq
Nc
66,01
64,19
73,31
48,30
52,71
61,63
33,84
42,37
49,31
22,56
33,26
38,45
44,18
25,39
29,07
8,26
18,70
21,10
4,30
13,11
14,43
{2,79}
10,45
11,27
δ’=32,7º
45
Nq
Nc
177,61
134,87
133,87
126
108,2
107,2
86,20
85,16
84,66
56,50
65,58
64,58
32,26
49,26
48,26
20,73
35,93
34,93
11,26
25,24
24,24
5,45
16,82
15,82
{5,22}
16,42
15,82

Примечание.
1. Для промежуточных значений φI и δ коэффииценты определяются по интерполяции.
2. В фигурных скобках приведены значения коэффициентов несущей способности, соответствующие предельному знаечнию угла наклона нагрузки, исходя из условия tg δ

Оглавление:

  • Характеристика естественных оснований
  • Расчет основания по несущей способности
  • Примеры расчета оснований и фундаментов
  • Расчет фундамента на естественном основании по деформациям

Перед началом строительства дома по характеристикам грунта выполняют необходимый расчет оснований фундаментов.

Для определения прочности самого фундамента необходимо также выполнить соответствующие вычисления.

Ленточный фундамент виды и формы.

Поскольку имеется несколько типов несущего основания и достаточно много видов естественных грунтов, то приведенные примеры расчета оснований и фундаментов не охватывают всего этого многообразия. Если не требуется дополнительных инженерных работ по укреплению почвы, сооружают фундаменты на естественном основании, для которых существуют специальные методы вычисления.

Характеристика естественных оснований

Схема ленточного фундамента.

В распоряжение строителя природа предоставляет грунт как естественное основание. Тип фундамента определяет дополнительно ряд факторов: геологическое строение, глубина залегания подземных вод, глубина промерзания и др. Характер нагрузок также оказывает влияние, но для частного домовладения надо ориентироваться на постоянную нагрузку. В то же время нельзя исключить вероятность того, что сосед начнет рядом строить дом на забивных сваях.

Естественным фундаментом являются скальные грунты (гранит, известняк, кварциты и др.), которые являются водонепроницаемыми и надежными для любых сооружений. Аналогичные характеристики присущи и крупноблочным грунтам, которые образовались из скальных пород в результате их разрушения. Это щебень, гравий, галька. Они состоят из частиц, размеры которых превышают 2 мм. Их надежность существенно зависит от присутствия подземных вод.

Горные породы, измельченные до размеров 0,1-2 мм, называют песками. Пески с размером частиц 0,25-2 мм практически не вспучиваются в зимних условиях и поэтому не воздействуют на фундамент. Надежность песчаного основания зависит от мощности слоя песка и от воздействия на него грунтовых вод.

Схема заливки ленточного фундамента.

В глинистых грунтах содержатся частицы, размеры которых не превышают 0,005 мм. По содержанию глины их делят на:

  • супесь: содержание глины от 3 до 10%;
  • суглинок: содержание глины от 10 до 30%;
  • лессы: являются пылеватым суглинком.

Наиболее прочным основанием является глина. На таком основании, если глина сухая, можно сооружать массивные здания.

Несущая способность всех перечисленных видов естественных оснований сильно зависит от влажности. А влажные лессовые грунты еще и уплотняются под воздействием веса сооружения, сильно проседая.

В качестве оснований непригодны некоторые супеси, способные от избытка влаги превратиться в плывуны, а также растительный грунт, торф, ил и насыпные грунты. На таких почвах строительство возможно после их предварительного уплотнения.

Вернуться к оглавлению

Расчет основания по несущей способности

Изображение 1. Механика грунтов.

Под несущей способностью грунта следует понимать предельную нагрузку, которую он может выдержать без разрушения. На Изображении 1 показаны случаи, требующие выполнения расчета основания по несущей способности, которая обеспечит их собственную устойчивость и не допустит смещения фундамента основания по его подошве.

Необходимо перечислить случаи, показанные на Изображении 1, и определиться с теми, которые могут относиться к частному домостроению.

а) На сооружение действует горизонтальная сила. Такой расчет может потребоваться, если на подворье будут устанавливать вышку для генератора, работающего под действием силы ветра.

б) Предполагает расчет фундамента при наличии подпорной стены, на которую могут действовать горизонтальные силы, возникающие от собственного веса грунта.

в), г) Сооружение находится на откосе или близко к его краю.

д) Основанием является глинистый грунт, степень влажности которого Sτ= 0,5. На него действует вес дома. Это реально возможные ситуации.

е) Рассчитывают несущую способность для определения, насколько устойчив естественный склон.

Ленточный монолитный фундамент.

Кроме указанных случаев такой расчет фундаментов необходим, если дом построен на скальных грунтах или на фундамент могут действовать выталкивающие силы.

Далее обозначения в формулах такие, как и в нормативной строительной документации.

Чтобы несущая способность грунта обеспечивала надежность построенного на нем сооружения, необходимо проверить условие (1):

F≤γc·Fu/γn, (1)

где F — нагрузка от всего сооружения с учетом всех систем жизнеобеспечения, передаваемая на основание фундаментом, кг;
Fu — противодействующая сила основания, кг;
γc — коэффициент, зависящий от типа грунта (см. таблицу №1);
γn — коэффициент надежности, устанавливается в зависимости от класса сооружения: γn=1,2; 1,15; 1,1 для сооружений I, II, и III классов, соответственно.

Таблица № 1.

Вид γc Несущая способность , кг/см²
плотный средней плотности
Песок крупный 1,0 6 5
Песок среднего размера 5 4
Супесь (сухая) 0,85 3 2,5
Супесь, влажная (пластичная) 2,5 2
Суглинок (сухой) 3 2
Суглинок, влажный (пластичный) 3 1
Глина (сухая) 0,9 6 2.5
Глина, влажная (пластичная) 4 1

Вернуться к оглавлению

Примеры расчета оснований и фундаментов

Схема основных видов фундамента.

В качестве примера можно рассмотреть случай под буквой «д»: фундамент, основание которого опирается на глинистый грунт.
Для определения его противодействия, Fu, необходимо знать несущую способность грунтов (см. Таблицу 1) и площадь Sф, на которую опирается фундамент сооружения. К примеру, его ширина d = 0,5 м, а здание имеет размеры 8×10 м.

Внутри здания, посредине, имеется одна несущая стена. Обычно фундамент на естественном основании имеет прямоугольное сечение. Определение площади подошвы необходимо выполнять исходя из положения, что его размеры в сечении должны быть одинаковыми. Тогда значение площади будет равно:

Sф = (10×2+7×3)×0,5=20,5 м² =20,5·104 см².

Несущая способность сухой глины средней плотности составляет 2,5 кг/см² (см. Таблицу 1). По величине подошвы фундамента и несущей способности грунта можно определить противодействующую силу.

Fu=·Sф = 2,5·20,5·104 =51,25·104 кг=512,5 т.

Следует определить вес здания III класса (γn=1,1) для глины (γc=0,9):

F≤γc·Fu/γn= 0,9·512,5 /1,1=419 т.

Следовательно, если вес сооружения F будет меньше 419 т, то несущая способность грунта обеспечит его надежность. Иначе придется прибегнуть к увеличению площади подошвы фундамента, сделав его сечение не прямоугольным, а трапецеидальным. Увеличение одной только площади подошвы существенно сокращает количество материала.

Расчет по несущей способности для сооружений, расположенных на откосе или недалеко от него, намного сложнее.

Вернуться к оглавлению

Расчет фундамента на естественном основании по деформациям

Строения в процессе эксплуатации деформируются, и причиной этому могут быть вертикальные деформации оснований, на которых они построены. Такие деформации разделяют на осадки и просадки.

Схема внецентренно нагруженного свайного фундамента.

Коренное изменение сложившегося строения грунта называют просадкой. Причиной просадки может быть уплотнение почвы при замачивании. Рыхлый грунт может уплотниться при сотрясении. Иногда он начинает выпирать из-под подошвы фундамента. Таких изменений фундаментов по деформациям допускать нельзя. Вероятность их появления необходимо установить до начала строительства.

Если происходит уплотнение прочных грунтов из-за веса строения, в результате чего происходит осадка фундамента, такую деформацию оснований называют осадкой. Как правило, в результате осадки в элементах здания трещины не появляются. Если грунт оседает по-разному под каждой из частей здания, это и может явиться причиной появления трещин в отдельных элементах его конструкции.

Причиной неравномерности осадки грунта могут быть:

  • разница плотностей и как следствие, неодинаковая их сжимаемость;
  • разное расширение его слоев в результате сезонных промерзаний и оттаиваний;
  • неодинаковая мощность пластов;
  • различные нагрузки на грунт со стороны строения, что приводит его к разным напряженным состояниям.

Существуют две причины, из-за которых необходимо выполнять расчет оснований по деформациям. Одной из них являются близко стоящие от строительства сооружения, существенно отличающиеся по весу.

Схема не симметричного свайного фундамента с определением смещенного центра тяжести.

Второй причиной осадки фундаментов могут быть слабые грунты. Это насыпные почвы, рыхлые пески в глинистых типах, находящихся в текучем состоянии, грунты с большим содержанием органических остатков. В таких видах возможна деформация фундамента.

Расчет оснований состоит в проверке выполнения неравенства:

S ≤ f, (2)

где S — расчетная абсолютная величина осадки;
f — предельно допустимая осадка.

Предельные осадки, при которых не выполняется условие (2) могут быть причиной для формирования искусственного основания.

Значение S определяют путем проведения по установленной методике испытаний на сжимаемость в различных местах строительной площадки. В результате находят максимальное Еmax и минимальное Еmin значение модуля сжимаемости.

Основание считается таким, что его осадка мало зависит от сжимаемости, если Еmin = 200 кг/см², иначе необходимо проверить выполнение еще двух условий:

1,8≤ Еmax/Еmin≤ 2,5 (при 200> Еmin ≥ 150 кг/см²);

1,3≤ Еmax/Еmin≤ 1,5 (при 150> Еmin ≥ 75 кг/см²);

Существуют специальные таблицы, по которым определяют абсолютные значения деформации f. Не приводя таблицы, следует указать, что в зависимости от типа стен и отношения длины ленточного фундамента к высоте стены, максимальная осадка f изменяется от 8 до 15 см.

При отношении Еmax/Еmin