«Г.Г. Болдырев М.В. Малышев МЕХАНИКА ГРУНТОВ. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ (В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ) Издание 4 е, переработанное и дополненное Пенза 2009 УДК 624.15.04(075.8) ББК 38.58я73 Б79 Рецензент – доктор технических наук, ...»

физические и механические характеристики грунтов (показатель текучести, коэффициент пористости, модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление);

сопротивление грунтов под острием R и на боковой поверхности f свай.

Статическое зондирование грунтов (рис.Ф.2.13) заключается во вдав ливании в грунт зонда с одновременным измерением значений сопро тивлений грунта под наконечником и на боковой поверхности зонда.

Динамическое зондирование состоит в забивке в грунт стан дартного конического зонда и измерении глубины его погружения от определенного числа ударов молотка или, наоборот, при задании этого числа ударов. По результатам динамического зондирования строятся графики изменения по глубине условного динамического сопро тивления.

Фактически статическое и динамическое зондирования позволяют определять одни и те же показатели и свойства грунтов.

Рис.Ф.2.13. Примерный график статического зондирования:

1,2,3,4 – наименования грунтов Ф.2.14. Как проводятся испытания методом лопастного сдвига?

Для этого используется крыльчатка, которая вдавливается, после чего к ней прикладывается вращательное усилие. В результате испытаний определяется сопротивление срезу, которое принимается равным силам удельного сцепления. Метод применим только при слабых пылевато глинистых грунтах, илах, торфах и заторфованных грунтах, так как можно считать, что у них угол внутреннего трения практически равен нулю.

Ф.2.15. Как проводятся испытания грунта в полевых условиях методом сдвига?

Для этого отрывается шурф и вырезается призма ненарушенного грунта, к которой через штамп прикладываются постоянная нор мальная и переменная сдвигающая нагрузки. Значения угла внут реннего трения и удельное сцепление определяют из условий пре дельного равновесия выпираемого или обрушаемого массива грунта.

В другом методе целиковый массив грунта заключается в кольцевую обойму, а к нему прикладываются нормальная и сдвигающая нагрузки, по которым из условия прочности Кулона определяют параметры прочности грунта.

Ф.2.16. Какие значения механических и физических характеристик грунтов применяются при расчете оснований?

При проектировании оснований зданий и сооружений исполь зуются расчетные значения характеристик грунтов, которые опре деляются на основе непосредственных испытаний в лабораторных или полевых условиях с последующей статистической обработкой ре зультатов испытаний.

Ф.2.17. Как определяются нормативные значения характеристик грунтов?

Нормативные значения характеристик грунтов определяют как среднеарифметические величины частных результатов определений для каждого выделенного на площадке строительства инженерно геологического элемента.

Количество определений характеристик грунтов устанавливается в зависимости от степени неоднородности грунтов основания, класса здания или сооружения, требуемой точности вычислений.

Количество одноименных частных определений для каждого выделенного на площадке инженерно геологического элемента долж но быть не менее шести. При определении модуля деформации по результатам испытаний грунтов в полевых условиях штампом допус кается ограничиться результатами трех испытаний (или двух, если по лученные результаты отклоняются от среднего не более чем на 25 %).

Ф.2.18. Как определяются расчетные значения характеристик грунтов?

Расчетные значения характеристик грунтов определяются по формуле где Xn нормативное значение данной характеристики; g коэф фициент надежности по грунту.

Расчетные значения характеристик грунтов определяются и ис пользуются потому, что нормативные значения, вследствие неодно родности грунта и ограниченного числа определений, могут содержать ошибку, которая должна быть исключена. Ошибка исключается методом статистической обработки результатов испытаний.

Коэффициент надежности по грунту g при вычислении расчетных значений прочностных характеристик – удельного сцепления с, угла внутреннего трения нескальных грунтов, а также удельного веса грунта – устанавливается в зависимости от изменчивости этих харак теристик, числа определений и значения доверительной вероятности.

Для прочих характеристик грунтов допускается принимать g = 1.

Доверительная вероятность расчетных значений характеристик грунтов при расчетах оснований по несущей способности принимается равной 0,95, а по деформациям – 0,85.

Ф.2.19. Допускается ли определять нормативные и расчетные зна чения характеристик грунтов без проведения испытаний?

Да, допускается в следующих случаях. Для предварительных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов и опор воздушных линий электропередачи и связи независимо от их класса допускается опре делять нормативные и расчетные значения прочностных и дефор мационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам, используя для этого табл.Г.1–Г.7 приложения Г СП [21].

Ф.2.20. Как проводится статистическая обработка результатов испытаний?

Статистическую обработку опытных данных начинают с проверки на исключение возможных грубых ошибок. Исключить необходимо максимальное или минимальное значения Xi, для которых выполняется условие где Xn среднее значение; v статистический критерий, принимаемый в зависимости от числа определений; Sdis смещенная оценка среднего квадратического отклонения, где n число определений.

После этого определяют: нормативное (среднее арифметическое) значение X n, а также среднее квадратическое отклонение Приведенная статистическая обработка применяется только при определении удельного веса грунтов, предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов и модуля деформации грунтов. Другие физические характеристики вычисляются как нормативные значения.

Прочностные характеристики грунтов угол внутреннего терния и удельное сцепление с – определяют исходя из зависимости Кулона = tg + с с использованием метода наименьших квадратов. Для обработки применяются результаты всех определений, произведенных для рассматриваемого слоя грунта.

Ф.3. НАГРУЗКИ Ф.3.1. Каким образом подразделяются нагрузки?

Нагрузки подразделяются на расчетные и нормативные. Нор мативные нагрузки определяются по их номинальному значению как средние или из условий заданной обеспеченности. Все расчеты производятся с использованием расчетных значений нагрузок. Рас четные значения нагрузок определяются как нормативные значения, умноженные на коэффициент надежности по нагрузке f. Этот коэффициент изменяет нормативное значение нагрузки в небла гоприятную сторону.

Ф.3.2. Какие нагрузки и воздействия следует учитывать при расчете оснований?

При проектировании оснований зданий и сооружений необходимо учитывать следующие нагрузки:

а) вес конструкций зданий и сооружений;

б) вес оборудования;

в) вес и давление грунтов;

д) нагрузку на перекрытия или полы, устраиваемые по грунту в складских помещениях, зернохранилищах, библиотеках и т.п.;

е) нагрузки на перекрытия в помещениях жилых и общественных зданий;

ж) вес людей, ремонтных материалов;

з) нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и воз ведении строительных конструкций, при монтаже и перестановке оборудования, а также нагрузки от веса временно складируемых на строительстве конструкций и материалов;

к) снеговые нагрузки;

л) ветровые нагрузки.

В зависимости от продолжительности действия перечисленные нагрузки подразделяются на постоянные и временные. В некоторых случаях одновременно с постоянными и временными нагрузками учитываются особые нагрузки, к которым относятся:

а) сейсмические и взрывные воздействия;

б) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью оборудования;

в) воздействия неравномерных деформаций оснований, сопро вождающиеся изменением структуры грунта (например, деформации просадочных и набухающих грунтов при замачивании или вечно мерзлых грунтов при оттаивании).

Ф.3.3. Как подсчитываются нормативные и расчетные нагрузки и какой смысл имеет коэффициент надежности по нагрузке f?

Нормативные нагрузки подсчитываются в соответствии со СНиП [16] как средние значения без учета их перераспределения над фун даментными конструкциями. Возможные отклонения от этих значений учитываются умножением нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке f. Коэффициент надежности при расчете по деформациям принимается f = 1. Коэффициент надежности по нагрузке при расчетах на прочность и устойчивость обычно больше единицы, однако в тех случаях, когда уменьшение нагрузки будет снижать также устойчивость сооружения, например при подсчете вертикальных удерживающих сил при сдвиге, он должен быть меньше единицы. Для бетонных плит сборного домостроения f принимается 1,2, для грунтов в природном залегании – 1,1, для насыпных грунтов – 1,15. При расчете нагрузок, удерживающих от опрокидывания и сдвига, рекомендуется принимать f = 0,9.

Ф.3.4. Какие нагрузки относятся к постоянным?

К постоянным нагрузкам относятся те, которые действуют в течение всего срока существования и службы здания или сооружения.

К постоянным относятся нагрузки от веса частей сооружения, в том числе и ограждающих конструкций, веса и давления грунтов насыпей, засыпок.

Ф.3.5. Какие нагрузки относятся к временным и как они подразделяются?

Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратко временные. К длительным относятся вес временных перегородок, вес стационарного оборудования, давление сыпучих тел и жидкостей в емкостях, нагрузка на перекрытия от складируемых материалов, на грузки от веса людей, снеговые нагрузки в северных районах, "воздей ствия" от деформаций оснований, когда не происходит коренного изменения структуры грунта или оттаивания вечномерзлого грунта.

К кратковременно действующим нагрузкам относятся нагрузки от подвижного оборудования и транспорта, ветровые нагрузки и др. Все эти виды нагрузок регламентируются главой СНиП [16].

Ф.3.6. Какие нагрузки относятся к группе особых?

К особым относятся сейсмические воздействия, действия взрывов, нагрузки в результате резкого нарушения технологического процесса, вызванные временными неисправностями оборудования, а также нагрузки из за деформаций оснований, сопровождающихся коренным изменением структуры грунта (например, при замачивании проса дочных грунтов, вследствие образования карста) и др.

Ф.3.7. Как различают сочетания нагрузок?

Различают два сочетания нагрузок: основные и особые. В основные сочетания входят постоянные и временные нагрузки длительно действующие и кратковременные. Особые сочетания включают все нагрузки, входящие в основные сочетания, а также одну из особых нагрузок. В особом сочетании для временных нагрузок, если их несколько, вводят понижающий коэффициент.

В том случае, если учитываются сочетания, включающие посто янные и не менее двух кратковременных нагрузок (например, вес людей и нагрузки от мостовых и подвесных кранов), расчетные зна чения временных нагрузок необходимо умножать на коэффициенты сочетаний: в основных сочетаниях для длительных нагрузок на 0,95, для кратковременных – на 0,9; в особых сочетаниях для длительных нагрузок – на 0,95, для кратковременных – на 0,8.

При расчетах оснований следует учитывать нагрузки от соседних фундаментов, складируемого материала и оборудования, которые будут размещаться вблизи рассчитываемого фундамента.

Ф.3.8. На какое сочетание нагрузок производится расчет оснований по деформации и несущей способности?

Расчет оснований по деформации должен производиться на основное сочетание нагрузок. По несущей способности расчет произ водится на основное сочетание, а при наличии особых нагрузок и воздействий на основное и особое сочетание.

При этом нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки, которые согласно СНиП по нагрузкам и воздействиям могут относиться как к длительным, так и кратковременным, при расчете оснований по несущей способности считаются кратковременными, а при расчете по деформациям длительными. Нагрузка от подвижного подъемно транспортного оборудования в обоих случаях считается кратковре менной.

Ф.3.9. В каких случаях применяется коэффициент сочетания?

При проектировании фундаментов двухэтажных и более зданий полные значения нормативных нагрузок от веса перекрытий следует снижать умножением на коэффициент сочетания:

а) для квартир жилых зданий, общежитий и гостиниц, палат больниц и санаториев, служебных помещений, бытовых помещений промышленных зданий на б) для читален, обеденных, торговых залов, участков обслуживания и ремонта оборудования в производственных помещениях на где A грузовая площадь рассчитываемого фундамента, причем A>A1 =9 м2 к формуле (а);

A>A2=36 м2 к формуле (б); n общее число перекрытий, от которых рассчитываются нагрузки на фундамент.

Ф.3.10. Как определяется грузовая площадь при сборе нагрузок на фундамент?

Грузовая площадь определяется различно для жилых, общест венных и производственных зданий.

На рис.Ф.3.10 показаны две грузовые площади для сбора нагрузок на ленточные фундаменты внутренней (Б) и внешней (А) стен жилого дома. Для внутренней несущей стены ширина грузовой площади принимается равной 100 см, а длина определяется половиной рас стояния в чистоте между стенами в направлении длинной стороны плиты перекрытия. Из за наличия оконных проемов в наружных стенах ширина грузовой площади принимается равной расстоянию между осями оконных проемов вдоль здания, а длина – также поло вине расстояния в чистоте между стенами поперек здания.

В отличие от жилых зданий с несущими наружными и внутренними стенами в промышленных зданиях несущий каркас выполняется из колонн, ригелей и плит перекрытия. Поэтому при сборе нагрузок на отдельно стоящие фундаменты под колонны ширина и длина грузовой площади определяются половиной расстояния между соседними осями здания.

Рис.Ф.3.10. Схема сбора нагрузок на фундаменты:

а –схема для подсчета нагрузок от конструкций;

б – схема для подсчета нагрузок на фундаменты:

1 – для внутренней стены; 2 – для наружной стены Ф.4. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ Ф.4.1. На какие две группы подразделяются предельные состояния?

Существуют две группы предельных состояний: первая по несущей способности и общей устойчивости и вторая по дефор мации. При расчетах по первой группе ограничиваются величины усилий, при расчетах по второй группе основным ограничением служат предельные деформации.

Основной целью расчета по предельным состояниям является огра ничение усилий (по первому предельному состоянию) или деформаций (по второму предельному состоянию), чтобы эти предельные состояния не наступили, то есть была обеспечена в дальнейшем возможность эксплуатации здания или сооружения.

Ф.4.2. Что оценивается по первому предельному состоянию?

Надежность конструкций оценивается по первому предельному состоянию из условия недопущения потери общей устойчивости основания. Условие следующее:

где F действующее от сооружения усилие, передаваемое основанию, а Fн несущая способность основания. Направления действия сил F и Fн совпадают. Если оценку несущей способности производить по вертикальной составляющей силы N, то условие следующее: N Nн.

Несоблюдение этого условия не гарантирует, что может быть допущена дальнейшая эксплуатация здания или сооружения.

Ф.4.3. Всегда ли необходима оценка работы оснований по первому предельному состоянию?

По первому предельному состоянию расчет необходимо произ водить только в следующих случаях:

1) Если на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе сейсмические.

2) Сооружение расположено на откосе или вблизи откоса.

3) Сооружение расположено на медленно уплотняющихся водо насыщенных грунтах.

4) Основание сложено скальными грунтами.

5) Анкерные фундаменты.

Считается, что в остальных случаях оценка оснований по второму предельному состоянию ограничит нагрузки и они будут существенно меньше, чем мы получили бы от использования условия первого предельного состояния. Оценка сооружений на невозможность их опрокидивания является также оценкой по первому предельному состоянию.

Рис.Ф.4.3. Случаи, когда производится расчет по первому предельному состоянию:

а – подпорная стена; б – эксцентричная нагрузка с горизонтальной составляющей; в – короткие сваи;

г – сооружение вблизи откоса; д – анкерный фун дамент, работающий на вырывание; е – схема для расчета на опрокидывание на жестком основании;

Ф.4.4. В каких случаях допускается не производить расчет по первой группе предельных состояний?

Расчет оснований оп несущей способности в случаях, перечис ленных в подпунктах 1 и 2 Ф.4.3, допускается не производить, если конструктивными мероприятиями обеспечена невозможность смеще ния проектируемого фундамента. Например, введение затяжки в ароч ных и рамных конструкциях, устройство шпунтового ограждения, препятствующего сползанию откоса грунта, устройство полов в подвале здания (рис.Ф.4.4,а,б,в), объединение фундаментов в единую систему пространственно жесткой надфундаментной конструкцией, например фундаментов из перекрестных лент и монолитного подвала и каркаса здания (рис.4.4,в).

Рис.Ф.4.4. Случаи, когда расчет по первому предельному состоянию может не производиться:

а – при бетонном полу, связанному со стеной; б – при жестком креплении стенки, удерживающей откос;

в – жесткая пространственная система Ф.4.5. Что должна обеспечивать оценка по второму предельному состоянию?

Выполнение основного условия второго предельного состояния s>su, где s совместная деформация основания и сооружения, в том числе осадка (или относительная разность осадок), а su предельно разрешаемая деформация (или относительная разность осадки) или крен, должно обеспечить возможность нормальной эксплуатации здания или сооружения в течение всего назначенного срока. Условие s su является основным для второго предельного состояния, а s и su имеют обобщенные значения (средняя или максимальная осадка, гори зонтальные перемещения, относительная разность осадок, крен и т.д.).

Величины su получены в результате обобщения строительного опыта, наблюдения за действующими однотипными сооружениями, за авариями. Для принципиально новых конструкций зданий или сооружений величины su должны быть назначены проектировщиками.

Ф.4.6. Всегда ли следует производить проверку деформации основания совместно с оценкой сооружения, то есть проверку по второму предельному состоянию?

Проверка по второму предельному состоянию и оценка согласно его критериям является обязательной во всех случаях, кроме указанных ниже. Под величиной s подразумевается конечная, стабилизи ровавшаяся со временем деформация. Однако расчет деформаций допускается не выполнять, если давление под подошвой фундамента не превышает расчетного сопротивления, а сжимаемость грунтов в пределах контура здания или сооружения изменяется в ограниченных пределах. Кроме того, расчет деформаций разрешается не производить, если инженерно геологические условия площадки соответствуют области применения типового проекта. Эти усилия, позволяющие не производить расчет по деформациям, освещены в главе СП [21].

Ф.5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОСНОВАНИЙ

И ФУНДАМЕНТОВ

Ф.5.1. По какому принципу фундаменты можно подразделить на фундаменты мелкого и глубокого заложения?

По общепринятой классификации в зависимости от характера деформации грунта в основании фундаменты подразделяются на фун даменты мелкого и глубокого заложения. Подобная классификация основана на характере развития зон предельного равновесия в массиве грунта, окружающего фундамент.

Характер деформации грунта в предельном состоянии зависит от относительной глубины заложения d/b. На рис.Ф.5.1 показано очер тание зон предельного равновесия для фундаментов с различной относительной глубиной заложения.

Рис.Ф.5.1. Зоны с предельным состоянием при различных значениях d/b:

При d/b 1/2 фундаменты относятся к категории мелкого зало жения. Предельное состояние основания характеризуется выпором грунта на поверхность основания. В большинстве случаев реальные фундаменты имеют глубину заложения не более 3,5 м.

При глубине заложения от 2 до 5 м и относительной глубине заложения глубины заложения. В предельном состоянии наблюдается не только выпирание грунта на поверхность, но и развитие зон предельного равновесия по направлению в глубь основания.

Фундаментами глубокого заложения называются такие, у которых не наблюдается выпора грунта на поверхность. Предельное состояние основания характеризуется развитием зон предельного равновесия в глубь него. Подобное состояние может возникнуть в основании свайных фундаментов, фундаментов оболочек и буровых опор. Су ществует также определение, что фундаменты мелкого заложения это фундаменты, сооружаемые в открытых котлованах, а фундаменты глубокого заложения не требуют вскрытия котлованов.

Ф.5.2. Что понимается под "проектированием оснований и фунда ментов"?

Проектирование оснований включает обоснованный расчетом вы бор типа основания (естественное или искусственное), а также типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, железобетонные, бетон ные, бутобетонные) с применением в случае необходимости строи тельных или конструктивных мероприятий для уменьшения влияния деформаций оснований на эксплуатационную пригодность зданий или сооружений.

В большинстве случаев проектирование оснований производится без учета совместной работы основания и надземных конструкций. Это объясняется сложностью и трудоемкостью подобных расчетов. Однако применение современных вычислительных машин и численных методов расчета позволяет эффективно выполнять соответствующие расчеты. Эти расчеты показывают, что учет совместной работы основания и надземных конструкций может привести к снижению затрат на устройство фундаментов.

Ф.5.3. На основании каких нормативных документов выполняется проектирование оснований?

Основания зданий и сооружений должны проектироваться с учетом нормативных документов (СНиП, СП [12, 14–22]).

Ф.5.4. Какие исходные данные необходимы для проектирования оснований?

Основания зданий и сооружений должны проектироваться с учетом:

результатов инженерно геологических, инженерно геодезических и инженерно гидрологических изысканий;

данных, характеризующих назначение, конструктивные и тех нологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации;

технико экономического сравнения возможных вариантов фун даментов.

Ф.5.5. На какие виды подразделяют совместные деформации оснований и фундаментов?

Основной вид деформаций осадки. Это вертикальные переме щения подошвы фундамента. Они вызываются уплотнением грунтов без коренного изменения их структуры и происходят под воздействием внешних нагрузок от сооружения, передающихся через фундамент от воздействия других близкорасположенных фундаментов, а также собственного веса грунта.

Просадка также перемещение, происходящее под воздействием внешних нагрузок и веса грунта, но при коренном изменении структуры грунта (вследствие замачивания лессовидных грунтов, оттаивания вечномерзлых грунтов).

Подъем поверхности основания происходит вследствие набухания грунтов при дополнительном увлажнении, при промораживании.

Усадка понижение поверхности при высыхании грунта.

Горизонтальные перемещения происходят под воздействием наклон ных нагрузок, при размещении сооружения вблизи откосов, вследствие подземных подработок.

Ф.5.6. Как подсчитывается средняя осадка здания или сооружения?

Абсолютная осадка фундамента подсчитывается как вертикальное перемещение середины подошвы фундамента si. Если площадь подошвы фундамента Ai, то средняя осадка сооружения, имеющего n фундаментов, определяется как разность Для здания большое значение имеет неравномерность осадок. Если s = si si +1 абсолютная разность осадки двух соседних фундаментов, то относительная неравномерность оценивается как отношение s/L, где L расстояние между ними. Важное значение имеют для оценки деформации конструкций и перераспределения усилий в них так называемые прогиб и выгиб (как бы прогиб в обратную сторону).

Относительный прогиб f = s2 1 3 : 2 L. Определив его, можно установить кривизну изгибаемого участка здания или сооружения.

Рис.Ф.5.6. Расчет неравномерности осадок фундаментов:

а – эпюра осадок; б – схема расчета крена сооружения;

в – расчет прогиба f1 и выгиба f2; г – расчет относитель ного угла закручивания Ф.5.7. Что такое крен?

Крен здания или сооружения – это отношение перемещения его крайних опор или краев к расстоянию между ними: i = S1 S1 L.

Установление крена особо важно для высоких сооружений, например дымовых труб.

Ф.5.8. Что такое расчетное сопротивление грунта основания и как оно рассчитывается?

В нормах расчетное сопротивление R грунта основания пред лагается оценивать двояко.

Расчетное сопротивление грунта основания среднее давление под подошвой фундамента R, которое не допускается превышать.

Считается, что при таком превышении под краями фундамента будет наблюдаться существенное развитие областей пластической дефор мации, то есть областей, в которых грунт будет в предельно напряженном состоянии, а это нарушит изначально принятую ли нейную зависимость между напряжениями и деформациями. Поэтому принимается ограничительное условие p R. Для предварительного определения размеров подошвы фундамента величина R находится по физическим характеристикам грунта основания. Затем для принятых размеров подошвы фундамента производится проверка получаемой величины давления p. В качестве определяющих расчетное сопротив ление R принимаются уже прочностные характеристики грунта: угол внутреннего трения и удельное сцепление c. Область с предельным состоянием не должна по глубине превышать 1/4 ширины подошвы фундамента. Расчет производится по формуле (5.5) главы СП [21]:

здесь c1, c2 коэффициенты условий работы; k коэффициент надежности; M, Mq, Mc безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения; II удельный вес грунта, расположенного ниже подошвы фундамента; II то же, но выше подошвы фундамента шириной b, заглубленного в грунт на величину d1. Величина db представляет разность заглублений в грунт фундамента справа и слева;

cII удельное сцепление.

Ф.5.9. От чего зависят коэффициенты условий работы, введенные в формулу (5.5) главы СП [21] для нахождения расчетного сопротивления R?

Коэффициенты условий работы с1 и с2 зависят соответственно от вида и состояния грунта основания, а также от жесткости конструкции сооружения, зависящей от соотношения длины и высоты здания. Эти коэффициенты условий работы изменяются в пределах: от 1,1 до 1,4 – для с1 и от 1 до 1,4– для с2. Таким образом, их произведение изме няется от 1,1 до 1,96.

Ф.5.10. Почему в первые и вторые слагаемые формулы (5.5) главы СП [21] для вычисления расчетного сопротивления R введены различающиеся между собой величины удельного веса грунта II и ?

В первый член введен удельный вес грунта II, расположенного ниже подошвы фундамента, а во второй член входит удельный вес грунта II, расположенного выше подошвы фундамента, то есть служащего пригрузкой против возможного выпирания. Они могут быть различными. В данном случае при сложном напластовании грунтов производится осреднение значений этих удельных весов вниз до глубины b/4, где b ширина подошвы фундамента, и выше подошвы до поверхности грунтовой пригрузки.

Ф.5.11. На какую глубину под подошвой фундамента условно допускается развитие зон с предельным состоянием?

Развитие зон с предельным состоянием условно допускается на глубину, равную одной четверти ширины подошвы фундамента, то есть в формуле для определения величины p принимается zmax =.

Ф.5.12. Из каких соображений устанавливаются величины пре дельных значений совместной деформации зданий и сооружений?

Величины предельных значений совместных деформаций со оружений и оснований su (под этим подразумеваются максимальные осадки, средние осадки, относительные неравномерные осадки, крен и др.) устанавливаются по результатам расчетов, наблюдениям за пове дением этих сооружений при деформировании, анализа аварийных случаев и последующего обобщения этих результатов. Они приводятся в СП [21]. Для новых сооружений, не имеющих существующих аналогов, они устанавливаются расчетным путем при проектировании.

Ф.5.13. Какие виды мероприятий можно использовать для уменьшения деформаций оснований?

1. Конструктивно уменьшить чувствительность сооружений к деформациям оснований, особенно к их неравномерности; для этого либо увеличить жесткость сооружения, сделать его монолитным, либо, наоборот, увеличить его гибкость придавая статическую определи мость; можно разрезать каркас сооружения осадочными швами на короткие и относительно жесткие блоки.

2. Улучшить строительные свойства грунтов – уменьшить дефор мируемость и увеличить прочность путем уплотнения или закрепления.

3. Предохранять грунты в строительный и эксплуатационный периоды от ухудшения свойств, защищая от промораживания, от дополнительного увлажнения, особенно лессовидных макропористых грунтов, набухающих грунтов.

4. Защищать грунты от попадания в них химически агрессивных жидкостей.

Ф.5.14. Какие цели преследуются при изменении строительных свойств грунтов оснований?

Строительные свойства грунтов оснований изменяют с целью уменьшения их сжимаемости и увеличения прочности. Сюда следует отнести уплотнение грунтов и их закрепление. Оба типа этих ме роприятий оказываются часто взаимосвязанными уплотняя и умень шая модуль деформации грунта, мы одновременно увеличиваем угол внутреннего трения грунта, а также удельное сцепление.

Уплотняя просадочные при замачивании грунты, мы "ломаем" их структуру и тем самым ликвидируем просадочность при замачивании.

Для каждой региональной разновидности грунтов могут быть предложены различные способы, а их эффективность оценивается комплексно, исходя из технико экономической целесообразности.

Ф.5.15. Какие факторы необходимо учитывать при проектировании фундаментов?

Проектирование фундаментов необходимо выполнять с учетом следующих факторов:

абсолютная средняя осадка фундаментов и неравномерные осадки отдельных фундаментов не должны быть более предельно допускаемых;

размеры фундаментов следует выбирать с учетом прочностных и деформационных свойств грунтов, прочности материала фундамента, а также стоимости и трудоемкости устройства фундаментов.

Ф.6. ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЙ Ф.6.1. Какие причины вызывают осадки фундаментов?

При определенных условиях осадки фундаментов s можно представить как сумму следующих составляющих:

где s1 осадка уплотнения; s2 осадка разуплотнения; s3 осадка неупругого деформирования; s4 осадка расструктуривания.

Ф.6.2. В чем причина возникновения осадок уплотнения s1?

Осадки уплотнения возникают вследствие уменьшение объема пор от давлений, передаваемых на основание через его подошву. Уплот нение грунта проявляется при напряжениях в грунте, если они больше его структурной прочности. Если осадки уплотнения окажутся различными для фундаментов в пределах одного и того же здания, то возникает их неравномерность. Поэтому необходимо так запроекти ровать фундаменты, чтобы разность осадок была меньше предельно допустимой. Это возможно, если при выборе ширины подошвы фун даментов руководствоваться равенством дополнительных давлений в уровне близких по размерам подошвы фундаментов.

Ф.6.3. Почему возникают осадки разуплотнения s2?

Разуплотнение проявляется при разработке котлованов и выражается в поднятии их дна. Деформации s2 носят упругий характер и считаются обратимыми при загрузке основания весом фундамента и внешней нагрузкой. После загрузки основания фундамент получит дополнительную осадку, называемую осадкой разуплотнения.

Ф.6.4. Почему возникают осадки неупругого деформирования s3?

Эта осадка появляется при возникновении в грунте сдвигов. Если придерживаться требований СП [21], то допускается развитие в грунте зон сдвига – зон пластического деформирования – на глубину не более 1/4 ширины фундамента. Образование этих зон и приводит к воз никновению осадок неупругого деформирования s3. Прочность грунта в пределах этих зон уменьшается, и фундамент получает дополни тельную осадку. Величину осадки можно определить только с исполь зованием решений нелинейной теории упругости и пластичности.

Ф.6.5. В чем причина возникновения осадок расструктуривания грунтов s4?

Явление нарушения естественной структуры грунта называется расструктуриванием. Данное явление наблюдается при разработке котлованов тяжелыми механизмами, при промерзании и оттаивании грунтов, их набухании и замачивании. Разрушение структурных связей увеличивает сжимаемость грунтов, что и является причиной возник новения осадки расструктуривания.

Ф.6.6. Какие расчетные схемы используются для расчета деформаций оснований?

Расчет деформаций оснований выполняется с использованием рас четных схем оснований в виде линейно деформируемого слоя, линейно деформируемого полупространства, нелинейно деформируемой среды.

Расчетная схема в виде линейно деформируемого слоя применяется в том случае, если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Hc, определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1 100 МПа и толщиной h1, удовлетворяющей условию где E2 модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации E1;

б) ширина (диаметр) фундамента b 10 м и модуль деформации грунтов основания E 10 МПа.

Расчетная схема в виде линейно деформируемого полупространства применяется для расчета осадок фундаментов на однородном основании. Допускается ее использование и для неоднородных ос нований, если модуль деформации слоев грунта незначительно от личаются друг от друга.

При использовании схемы линейно деформируемого полупро странства напряжения и деформации в основании определяются с ис пользованием решений теории линейно деформируемой среды. Для этой цели при расчете оснований круглых, прямоугольных и квад ратных в плане фундаментов используется решение Буссинеска, а для ленточных фундаментов – решение Фламана. В схеме линейно де формируемого полупространства вводится ограничение в виде сжи маемой толщи основания Hc, глубина которой определяется со отношением между дополнительными вертикальными напряжениями от внешней нагрузки zp и от собственного веса грунта zg.

Для определения Hc принимается, что при b 5 м zp=0,2zg, а при b >20 м zp=0,5zg. Однако в случае слабых сильносжимаемых грунтов на нижней границе определенной таким образом сжимаемой толщи ее увеличивают и границу принимают исходя из условия zp=0,1zg.

Коэффициенты 0,5 и 0,1, определяющие положение нижней границы сжимаемой толщи, эмпирические. Если сжимаемые грунты подсти лаются скальными и полускальными грунтами, то границей сжимаемой толщи будет служить их поверхность. В этом случае сжимаемая толща определяется исходя из инженерно геологических условий площадки.

Применение теории нелинейно деформируемой среды, в отличие от указанных двух схем, позволяет рассчитать осадку не только в фазе уплотнения, но и в фазе образования областей сдвига под фундаментом практически вплоть до предельной нагрузки по устойчивости.

Ф.6.7. Влияет ли жесткость здания или сооружения на нерав номерность осадок?

Наблюдения за деформациями зданий и сооружений показывают, что для конструкций зданий наиболее опасным является неравно мерность осадок их фундаментов. Поэтому в нормах [1] вводится ограничение не только на величину средней предельной осадки su, но и на относительную разность осадок (s/L).

Большинство зданий и сооружений чувствительны к возникно вению неравномерных осадок. Однако, повышая жесткость здания, можно снизить или полностью устранить неравномерность осадок.

Примером зданий абсолютной жесткости, имеющих равномерную осадку, являются элеваторы, дымовые трубы, градирни, здания АЭС и ТЭЦ. Эти сооружения обладают способностью выравнивать осадки за счет перераспределения давления под подошвой фундамента.

Однако многие здания и сооружения выполняют конструктивно не из монолитного железобетона, а из кирпича и сборных железобетон ных элементов. Поэтому жесткость таких зданий значительно меньше, и они не могут погасить неравномерность деформаций. Согласно при нятой классификации подобные здания относятся к категории сооружений практической жесткости.

Ф.6.8. Какие различаются основные виды деформации и смещения сооружений?

В зависимости от характера развития неравномерных осадок осно вания и жесткости сооружения различают следующие формы дефор маций сооружений: крен, прогиб, выгиб, перекос и кручение (рис.Ф.6.8).

Рис.Ф.6.8. Проявление различных видов деформаций:

а – прогиба; б – перекоса; в, г, д – крена; е – прогиба Крен (см.рис.Ф.6.8,б,г,д) поворот относительно горизонтальной оси. Крен возникает при неравномерной загрузке основания или при наличии в основании несимметричного напластования грунтов. Крен всего сооружения с фундаментами в виде сплошных железобетонных плит определяется как разность осадок его противоположных сторон, отнесенная к расстоянию между ними:

Предельная величина крена ограничена требованиями СНиП [1].

Наибольшую опасность крен представляет для высоких сооружений (элеваторы, дымовые трубы, антенны и др).

При действии внецентренной нагрузки может возникнуть крен фундамента, который определяется из выражения где E и 0 модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта основания (при неоднородном основании значения E и о прини маются средними в пределах сжимаемой толщи); ke коэффициент, зависящий от формы фундамента; N вертикальная составляющая равнодействующей всех нагрузок на фундамент на уровне его подошвы; e эксцентриситет; a диаметр круглого или сторона прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент; для фундаментов с подошвой в форме правильного прямо угольника a = 2 A (здесь A площадь многоугольника); km коэф фициент, учитываемый при расчете крена фундамента по схеме линейно деформируемого слоя при a 10 м и E 10 МПа.

Прогиб и выгиб (рис.Ф.5.2,в) вызваны искривлением сооружения по его длине. При прогибе наибольшие разрушения происходят в нижней части сооружения, а при выгибе в верхней.

Перекос возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадки развивается на коротком участке сооружения при сохранении вертикального положения конструкций.

Кручение сооружения возникает при различном его крене в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Ф.7. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Ф.7.1. Следует ли учитывать при проектировании оснований возмож ность изменения гидрогеологических условий площадки строительства?

При проектировании оснований должна учитываться возможность изменения гидрогеологических условий площадки в процессе строительства и эксплуатации зданий или сооружений.

Согласно СП [21] данный учет должен выполняться, если имеются или возможны образование верховодки, естественных сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод, техногенное изменение уровня грунтовых вод, возрастание степени агрессивности грунтовых вод по отношению к материалам подземных конструкций и кор розионная активность грунтов.

Понижение уровня грунтовых вод в процессе эксплуатации зданий и сооружений может приводить к изменению веса грунта и осадке фундаментов. При подъеме грунтовых вод возникает необходимость устройства водопонижения.

Ф.7.2. Почему возможно изменение гидрогеологических условий пло щадки строительства?

При строительстве основными факторами подтопления являются изменение условий поверхностного стока воды при вертикальной планировке, разрушение естественных водотоков, накопление атмос ферных вод в котловане при большом разрыве во времени между земляными и строительно монтажными работами и т.п.

При эксплуатации зданий и сооружений подтопление вызывается замачиванием (инфильтрацией) грунтов из за наличия утечек произ водственных вод, полива зеленых насаждений, уменьшения атмосфер ного испарения под зданиями и дорожными покрытиями (эффект экранирования).

Ф.7.3. Какие отрицательные воздействия оказывает подтопление зда ний и сооружений?

Во первых, подъем уровня грунтовых вод приводит к нарушению условий нормальной эксплуатации заглубленных (подвальных) помещений и, во вторых, как правило, сопровождается ухудшением физико механических свойств грунтов основания.

В связи с этим в проекте должны предусматриваться следующие защитные мероприятия:

гидроизоляция подземных конструкций; ограничение подъема уровня грунтовых вод, исключение утечки из водонесущих ком муникаций; устройство дренажа, противофильтрационных завес, специальных каналов для коммуникаций и т.д.

мероприятия, препятствующие механической или химической суффозии грунтов (дренаж, шпунт, закрепление грунтов);

покрытие или облицовка подземных конструкций полимерными материалами, свинцом, футеровка камнем при наличии агрессивных грунтовых вод и др.

Ф.7.4. Каким образом осуществляется защита подвальных помещений от грунтовых вод?

Практически во всех случаях устройства зданий с подвальными помещениями требуется гидроизоляция, основное назначение которой обеспечить нормальную эксплуатационную способность подземной части здания.

В зависимости от положения уровня грунтовых вод применяют следующие способы защиты подвальных помещений:

при уровне грунтовых вод ниже подошвы фундаментов стены и пол подвальных помещений покрываются штукатуркой, с наружной стороны на стену наносится битумная мастика, и прокладывается рулонная изоляция в стене на уровне пола подвала;

при уровне грунтовых вод выше пола подвала гидроизоляцию устраивают в виде сплошной оболочки из гидроизола или – при больших гидростатических давлениях грунтовой воды – с пригрузкой железобетонным корытом (см.подробнее об этом в главе Ф.17).

Ф.8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ДЛЯ ВЫБОРА ТИПА ФУНДАМЕНТА

Ф.8.1. Что является определяющим при выборе типа фундамента?

Выбор типа основания или конструктивного решения фундамента выполняется на основе технико экономического сравнения различных вариантов.

Ф.8.2. Какие технико экономические показатели определяют эффек тивность принятого варианта основания и фундамента?

К техническим показателям относятся: тип оснований и кон струкции фундаментов, расчетные осадки, материалоемкость.

К экономическим показателям относятся: приведенные затраты;

сметная стоимость, трудоемкость изготовления, продолжительность работ, капитальные вложения в материально техническую базу строи тельства, эксплуатационные затраты.

Ф.8.3. Какой принцип используется для сравнения различных типов фундаментов?

Для сравнения различных вариантов фундаментов используется принцип сопоставимости, который предполагает, что все варианты должны быть рассчитаны на одинаковые нагрузки для одних и тех же грунтовых условий.

Варианты решений фундаментов должны основываться на объек тивных данных инженерно геологических изысканий. Проектные решения фундаментов следует сравнивать при равной степени про работки конструктивных элементов, определяя приведенные затраты.

Ф.8.4. Как определяются приведенные затраты?

Приведенные затраты по различным вариантам фундаментов в справочнике [12] рекомендуется определять по формуле где С фактическая себестоимость устройства фундаментов;

Е нормативный коэффициент сравнительной эффективности ка питальных вложений, равный 0,2; К1 и К2 капитальные вложения в основные производственные фонды строительной индустрии (К1 в предприятия по производству товарного бетона, арматуры, сборных бетонных и железобетонных конструкций фундаментов; К2 в строи тельные и транспортные машины и механизмы, а также в базу по их обслуживанию и эксплуатации); Д коэффициент, определяющий дефицитность материальных ресурсов.

С введением рыночных отношений в Российской Федерации и отменой государственного регулирования капитальных вложений в основные производственные фонды, второй и третий члены выра жения исчезли, а данные затраты входят в фактическую себестоимость строительства.

Фактическая себестоимость строительства определяется на основа нии действующих сметных норм и "Единых районных единичных расценок" (ЕРЕР), а приведенные затраты устанавливаются по фор муле где К коэффициент удорожаний, вызванный либерализацией цен на строительные материалы, конструкции, энергозатраты, эксплуатацию машин и механизмов.

Коэффициент рыночных удорожаний определяется для каждой строительной организации и зависит не только от существующих цен на строительные материалы и энергоресурсы на момент расчета, но и от накладных расходов, рентабельности и отчислений в виде налогов в бюджет.

Себестоимость строительства вариантов фундаментов можно опре делить, используя удельные показатели трудоемкости, приведенные в [12, с.37, табл. 3.4].

Ф.8.5. Как производится выбор основания и фундаментов?

При выборе основания определяют несущий слой грунта исходя из инженерно геологических условий строительной площадки. На рис.

Ф.8.5 показаны три типа различных инженерно геологических условий и приведены показатели, по которым можно косвенно судить о прочности грунтов основания.

При однородном основании выбор несущего слоя однозначен, но подобные грунтовые условия встречаются редко. Более часто осно вание бывает сложено разнородными грунтами, например такими, как показано на рис. Ф.8.5,а,б,в. Во втором случае более прочным является второй слой (показатель текучести IL имеет минимальное значение), а в третьем – первый и третий слои грунта.

В общем случае, если стоимость фундаментов не имеет опреде ляющего значения, в качестве несущего слоя могут приниматься любые грунты, но не рекомендуется для него использовать ил, торф, рыхлые песчаные и текучепластичные глинистые грунты.

Рис. Ф.8.5. Различные схемы напластований грунтов и варианты рекомендуемых типов фундаментов:

а – прочный грунт (1) подстилается еще более прочным (2);

б – слабый грунт сверху (3) подстилается прочным (1);

в – слой слабого грунта (3) находится между более прочными слоями (1), в этом случае можно предложить закрепление (5) При выборе типа фундамента определяющим является кон структивное решение здания или сооружения. Как правило, для жилых зданий применяются ленточные сборные или монолитные фунда менты, а для промышленных зданий – отдельно стоящие сборные или монолитные фундаменты. В том случае, если несущий слой грунта находится на расстоянии более 3 5 м от поверхности, используют свайные фундаменты. Для специальных сооружений типа элеваторов, градирен, дымовых труб, АЭС и ТЭЦ могут применяться фундаменты в виде сплошных железобетонных плит с глубиной заложения не более м. При неоднородном основании в некоторых случаях для жилых и административных зданий может оказаться более эффективным применение фундаментов в виде перекрестных лент и сплошных плит.

Ф.9. КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ

МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Ф.9.1. В каких случаях целесообразно применение фундаментов мелкого заложения?

Фундаменты мелкого заложения могут применяться для любых зданий и сооружений и инженерно геологических условий. Однако при наличии в основании слабых слоев грунта выбор типа фундамента (мелкого или глубокого заложения) должен определяться на основе технико экономического сравнения вариантов.

Ф.9.2. Как называются основные элементы фундамента мелкого зало жения?

Основными частями фундамента являются: обрез; подошва, боко вая поверхность и ступени (рис.Ф.9.2,а). Верхняя плоскость фунда мента, на которую опираются надземные конструкции (2), называется обрезом (3) фундамента. Нижняя плоскость, через которую передается нагрузка на основание, является подошвой (4). Вертикальные плоскости образуют боковую поверхность.

Рис. Ф.9.2. Фундаменты под колонну (а,б) и под стену (в):

1 – фундамент; 2 – колонна; 3 – обрез фундамента; 4 – подошва фундамента; 5 – подколонник; 6 – бетонные блоки Расстояние от поверхности планировки DL до подошвы называется глубиной заложения d. Высота фундамента hf определяется рассто янием от подошвы фундамента до его обреза. За ширину подошвы фундамента принимается ее наименьший размер b, а за длину ее больший размер l, то есть lb.

Фундаменты под колонны могут иметь одну или несколько ступеней. Верхняя часть такого сборного фундамента имеет подко лонник. Место в подколоннике, в которое устанавливается колонна, называется стаканом.

Вертикальная часть наружного ленточного фундамента образует фундаментную стену.

Ф.9.3. От чего зависит глубина заложения фундамента?

Глубина заложения фундаментов является одним из основных факторов, обеспечивающих необходимую несущую способность и деформации основания, не превышающие предельных по условиям нормальной эксплуатации.

Глубина заложения фундаментов определяется:

а) конструктивными особенностями зданий или сооружений (на пример, жилое здание с подвалом или без него), наличием нагрузок и воздействий на их фундаменты;

б) глубиной заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубиной прокладки инженерных коммуникаций;

в) инженерно геологическими условиями площадки строительства (фи зико механические свойства грунтов, характер напластования и пр.);

г) гидрогеологическими условиями площадки и возможными их изменениями в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений;

д) глубиной сезонного промерзания грунтов.

Глубина заложения фундаментов исчисляется от поверхности пла нировки (рис.Ф.9.3,а) или пола подвала до подошвы фундамента (рис.Ф.9.3,б), а при наличии бетонной подготовки до ее низа.

При выборе глубины заложения фундаментов рекомендуется [21]:

а) предусматривать заглубление фундаментов в несущий слой грунта не менее чем на 10 15 см;

б) избегать наличия под подошвой фундамента слоя грунта, если его прочностные и деформационные свойства значительно хуже свойств подстилающего слоя грунта;

в) стремиться, если это возможно, закладывать фундаменты выше уровня грунтовых вод для исключения необходимости применения водопонижения при производстве работ.

Рис.Ф.9.3. Схемы к определению глубины заложения а – фундамент внешней оси здания;

б – фундамент внутри здания Ф.9.4. Допускается ли закладывать подошвы соседних фундаментов на разных отметках?

Фундаменты здания рекомендуется закладывать на одной отметке.

Однако, если здание состоит из нескольких отсеков, то для ленточных фундаментов допускается применение различной глубины их зало жения. При этом переход от более заглубленной части к менее заглуб ленной должен выполняться уступами (рис.Ф.9.4). Уступы должны быть не круче 1:2, а высота уступа h не более 60 см.

Рис.Ф.9.4. Заложение соседних фундаментов на разной глубине Допустимая разность отметок заложения столбчатых фундаментов (или столбчатого и ленточного) определяется по формуле где a расстояние между фундаментами в свету; I и cI расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта;

p среднее давление под подошвой вышерасположенного фундамента под действием расчетных нагрузок.

Ф.9.5. Как определяется нормативное значение глубины сезонного промерзания грунта?

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта dfn принима ется равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее лет) под открытой, оголенной от снега поверхностью горизонтальной площадки при уровне грунтовых вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При отсутствии данных многолетних наблюдений нормативную глубину сезонного промерзания грунтов определяют на основе тепло технических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение вычисляют по формуле где d0 глубина промерзания при Mt = 1 ° C, м, принимаемая: для суглинков и глин 0,23; супесей, песков мелких и пылева тых 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупно сти 0,30; крупнообломочных грунтов 0,34; Mt безразмерный ко эффициент, численно равный сумме абсолютных значений средне месячных отрицательных температур за зиму в данном райо не, °C, принимаемых по СНиП [15] или по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях.

За неимением этих данных нормативную глубину сезонного про мерзания можно определить по схематической карте (рис.Ф.9.5), где даны изолинии нормативных глубин промерзания для суглинков, т.е.

при d0 = 0,23 м. При наличии в зоне промерзания других грунтов значение dfn, найденное по карте, умножается на отношение d0/0, (где d0 соответствует грунтам рассматриваемой строительной пло щадки).

Рис.Ф.9.5. Карта нормативных значений глубины промерзания d0, см Ф.9.6. Как определяется расчетное значение сезонного промерзания грунта?

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по формуле где kh коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения и принимаемый для отапливаемых зданий в зависимости от конструкции полов и температуры внутри помещений, а для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых зданий kh = 1, (кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой).

Ф.9.7. В каких грунтах глубина заложения фундаментов назначается независимо от расчетной глубины промерзания грунтов?

В скальных, крупнообломочных с песчаным заполнителем грунтах, песках гравелистых, крупных и средней крупности глубина заложения фундаментов назначается произвольно, так как в этих грунтах при замерзании не возникает сил морозного пучения.

Ф.9.8. Можно ли снизить силы морозного пучения конструктивными мероприятиями?

Глубину заложения фундаментов по условиям морозного пучения можно уменьшить за счет:

а) постоянной теплозащиты грунта по периметру здания;

б) водозащитных мероприятий, уменьшающих возможность зама чивания грунтов;

в) полной или частичной замены пучинистого грунта на непучи нистый под подошвой фундамента;

г) обмазки боковой поверхности фундаментов битумной мастикой или покрытия ее полимерными пленками;

д) искусственного засоления грунтов обратной засыпки.

Ф.9.9. Как определить, будет ли фундамент при данных условиях выдавливаться из грунта при его замерзании?

Фундамент будет испытывать деформации подъема при следующих условиях:

а) если фундамент заложен выше расчетной глубины сезонного промерзания в глинистом грунте текучей консистенции и пылеватом водонасыщенном песке, а расстояние между подошвой фундамента и уровнем грунтовой воды менее двух метров;

б) если касательные силы морозного пучения, возникающие на боковой поверхности фундамента, будут больше нагрузок от веса фундамента и надземных конструкций.

При этом второе условие является определяющим. Поэтому глубина заложения фундамента может быть уменьшена за счет применения конструктивных мероприятий, обеспечивающих прочность и нормаль ные условия эксплуатации сооружения при неравномерных деформациях основания. Например, сооружение с монолитным кар касом выполнено на фундаменте в виде монолитной железобетонной плиты.

Ф.9.10. Из каких материалов делаются фундаменты?

В качестве материала фундаментов используются бетон, железо бетон, бут, кирпич. Основными материалами для фундаментов явля ются железобетон и бетон, которые применяются при устройстве всех видов фундаментов в различных инженерно геологических условиях.

Железобетонные фундаменты выполняются из бетона марки не ниже В15 с армированием горячекатаной арматурой из стали класса А III, А I.

Каменная кладка фундаментов из кирпича, бута и пустотелых блоков предусматривается в конструкциях, работающих на сжатие, в основном для ленточных фундаментов и стен подвалов.

Бутобетон и бетон используются при устройстве фундаментов в траншеях при их бетонировании враспор со стенками.

В строительстве применяются бутовые, бутобетонные (в бетон втапливают бутовые камни в количестве 25 30 % объема кладки) и бетонные фундаменты с уступами или наклонными гранями (рис.Ф.9.10). Высота уступа hy для бетона принимается обычно не менее 30 см, для бутобетона и бутовой кладки 40 см.

Рис.Ф.9.10. Отдельно стоящий столбчатый фундамент:

а – с наклонными боковыми гранями; б – с уступами Положение боковой грани фундамента определяется углом жест кости, при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения. Угол жесткости, определяющий отношение между вы сотой h и шириной b уступов, или наклон боковых граней (угол ), зависит от марки бетона, бута, кирпича и изменяется от 30 до 40°.

Ф.9.11. Различаются ли конструктивно фундаменты мелкого и глубо кого заложения?

Да, различаются. Фундаменты глубокого заложения, в отличие от фундаментов мелкого заложения, имеют более развитые боковую поверхность и подошву фундамента.

Кроме того, фундаменты мелкого заложения устраиваются с разработкой котлованов, а фундаменты глубокого заложения непо средственно в грунте.

Армирование фундаментов также различно. У фундаментов мел кого заложения армируется только подошва (рис.Ф.9.11,а,б), а у фундаментов глубокого заложения как оболочка (наружная часть), так и днище фундамента (рис.Ф.9.11,в).

Рис.Ф.9.11. Конструкция фундаментов мелкого (а,б) и глубокого (в) заложения:

а – ленточный фундамент; б – столбчатый фундамент;

1 – стеновые блоки; 2 – плита подушка; 3 – фундаментная балка; 4 – опорная подушка; 5 – стакан; 6 – ступени;

7 – оболочка; 8 – нож; 9 – днище; 10 – перекрытие Ф.9.12. На какие типы можно подразделить фундаменты мелкого заложения?

Различают следующие основные типы фундаментов мелкого заложения (рис.Ф.9.12).

1. Ленточные фундаменты под стены и колонны.

2. Ленточные прерывистые фундаменты под стены.

3. Столбчатые фундаменты под стены.

4. Отдельно стоящие фундаменты под колонны.

5. Щелевые фундаменты.

6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах.

7. Сплошные фундаменты в виде железобетонных плит.

8. Коробчатые фундаменты.

Ф.9.13. Как конструктивно подразделяются фундаменты под стены и колонны?

Ленточные фундаменты под стены устраиваются монолитными или из сборных блоков (рис.Ф.9.12,а,б,в,г,д). В монолитном варианте армируется только плитная часть фундамента. В сборном варианте используются железобетонные (с армированием) подушки и бетонные блоки (без армирования) для фундаментных стен. Толщина фунда ментной подушки равна 300, 500 мм. Ширина изменяется от 600 до 3200 мм. Фундаментные блоки имеют унифицированную ширину 300, 400, 500, 600 мм и высоту 280, 580 мм. Длина блоков равна 880, 1180 и 2380 мм.

Ленточные фундаменты под колонны (рис.Ф.9.12,е) выполняются из монолитного железобетона с армированием подошвы и стен фун дамента. Если ленты делаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях, то фундамент называется фундаментом из перекрестных лент (рис.Ф.9.12,ж). Данный тип фундаментов имеет ряд преимуществ перед обычными ленточными, так как обладает способностью к выравниванию неравномерных деформаций основания.

Ф.9.14. Какие особенности имеют ленточные прерывистые фунда менты?

Ленточные прерывистые фундаменты (см.рис.Ф.9.12,а) отличаются от обычных тем, что фундаментные подушки укладываются с раз рывом, величина которого определяется расчетом. Пространство между подушками заполняется песком или грунтом с уплотнением.

Нагрузка от фундаментной стены передается через уплотненный грунт на основание. Стоимость прерывистых фундаментов на 10 15 % мень ше стоимости обычных ленточных.

Рис.Ф.9.12. Фундаменты мелкого заложения:

а – сборный ленточный, прерывистый; б, в, г,д – поперечные сечения ленточных фундаментов под стены; е – ленточный монолитный под колонны; ж – фундамент из перекрестных лент; з, к – отдельно стоящий из сборных столбов и рандбалок; л,м – отдельно стоящий под колонны;

н – коробчатый плитный; о – плоский плитный; п – многоугольный плитный; р – плитный под колонны;

1 – отмостка; 2 – гидроизоляция; 3 – сборные бетонные стеновые блоки;

4 – армированный пояс; 5 – подушка ленточного фундамента; 6 – стено вая ребристая панель; 7 – подушка под колонну (столб); 8 – колонна (столб); 9 – рандбалка сборная; 10 – колонна; 11 – железобетонная лента; 12 – железобетонная плита; 13 – бетонная подготовка Ф.9.15. В каких случаях необходимо обеспечить устойчивость наруж ных стен ленточных фундаментов и чем это достигается?

Если глубина подвала превышает 3 м, то под действием активного давления грунта возможно смещение фундаментных стеновых блоков по направлению в подвал. Поэтому для повышения устойчивости стен подвала в горизонтальные швы между блоками вводятся плоские сетки (см. рис.Ф.9.12,г) из арматуры диаметром 8 10 мм.

Ф.9.16. Что такое армированный пояс?

При возведении сборных ленточных фундаментов на сильно сжимаемых, просадочных и других структурно неустойчивых грунтах Рис.Ф.9.16. Устройство железобетонного пояса: меньше толщины фундаментного блока 1 – бетонные стеновые блоки; 2 – железобетон Ф.9.17. Для чего осуществляется перевязка фундаментных стеновых блоков?

Для обеспечения пространственной жесткости сборного фунда мента предусматривается связь между продольными и поперечными стенами путем перевязки их фундаментными стеновыми блоками или закладки в горизонтальные швы арматурных сеток.

Фундаментные стеновые блоки укладывают с перевязкой вер тикальных швов на участке, длина которого не меньше высоты фун даментного стенового блока на структурно неустойчивых грунтах и не меньше 0,4 высоты блока при модуле деформации грунтов E > 10 МПа.

Ф.9.18. Какую конструкцию имеют столбчатые фундаменты под стены?

Столбчатые фундаменты (см.рис.Ф.9.12,з,к) применяются в зда ниях с конструктивной схемой из неполного каркаса. Столбчатые фундаменты состоят из фундамента стаканного типа, на обрез которого укладывается фундаментная балка или цокольная панель. Фундаменты данного типа можно устраивать на грунтах с высокими дефор мационными и прочностными характеристиками. Это объясняется тем, что подобные фундаменты не допускают неравномерности дефор маций. Фундаменты армируются в плоскости подошвы сварными сетками и пространственными каркасами в теле столба (колонны).

Ф.9.19. Какую конструкцию имеют отдельно стоящие фундаменты под колонны?

Отдельно стоящие фундаменты (см.рис.Ф.9.12,л,м) устраивают под колонны из монолитного железобетона, включая плитную часть ступенчатой формы и подколонник. Монолитные фундаменты выпол няются как одно целое с колоннами. При этом арматура колонн соединяется с арматурой фундамента (рис.Ф.9.19). Сопряжение сбор ных колонн с фундаментом осуществляется с помощью стакана, а металлических колонн с помощью анкерных болтов.

Рис.Ф.9.19. Соединение колонн с фундаментом:

а – монолитное; б – со стальной колонной; 1 – арматура;

Высота ступеней принимается кратной 150 мм. Первая ступень должна быть не менее 300 мм. Ширина ступеней определяется из условия продавливания.

В песчаных грунтах под монолитными фундаментами обязательно устраивается монолитная подготовка толщиной 150 мм из бетона марки не ниже М50. В глинистых грунтах подготовку можно не устраи вать, но необходимо увеличить защитный слой бетона до 80 мм.

Отдельные фундаменты могут быть сборными, состоящими из одного или нескольких элементов (см.рис. М.9.12,м).

Ф.9.20. Какую конструкцию имеют щелевые фундаменты?

Щелевые фундаменты (рис.Ф.9.20) представляют собой тонкие стенки толщиной от 10 до 20 см, устраиваемые путем прорезки грунта и заполнения щели бетоном с полным или частичным армированием.

Подколонник опирается непосредственно на бетонные пластины и выполняется в монолитном варианте. Преимущество щелевого фундамента в том, что нагрузка на основание передается не только торцом, но и боковой поверхностью. Однако щелевые фундаменты можно устраивать только в глинистых грунтах.

Рис.Ф.9.20. Ленточный многощелевой фундамент:

1 – поверхность грунта; 2 – распределительная плита;

3 – надземная стена; 4 – бетонные пластины; 5 – пере При разработке щели барой часть грунта остается на ее дне и зачистку приходится делать вручную, что снижает технологичность устройства подобных фундаментов.

Ф.9.21. Какую конструкцию имеют фундаменты, устраиваемые в вытрамбованных котлованах?

Фундаменты в вытрамбованных котлованах (рис.Ф.9.21) устра ивают с помощью конической или трапецеидальной трамбовки путем ее сбрасывания с высоты 4 6 м до образования полости в грунте, которая заполняется бетоном. Преимущество подобного фундамента в том, что при вытрамбовании грунта вокруг котлована образуется зона с большей плотностью, чем плотность естественного грунта. В результате не только увеличивается несущая способность фундамента, но и частично устраняются просадочные свойства лессовых грунтов.

Рис.Ф.9.21. Фундаменты в вытрамбованных котлованах:

а – столбчатый без уширения; б – с уширенным основанием:

1 – стакан для установки колонны; 2 – фундамент; 3 – уплот ненная зона грунта; 4 – втрамбованный жесткий материал (грунт) Несущую способность фундамента можно увеличить, если вы полнить устройство уширенной зоны втрамбованием в грунт щебня.

Применение фундаментов в вытрамбованных котлованах дает наибольший эффект при степени влажности Sr 0,75 и удельном весе грунта не более 16 кН/м3.

Ф.9.22. Как устраиваются фундаменты в виде сплошных же лезобетонных плит?

Фундаменты в виде сплошных железобетонных плит (см.

рис.Ф.9.12,н,о,п) устраиваются под всем зданием или сооружением и представляют собой плоскую, ребристую или коробчатую плиту (рис.Ф.9.22). В плане эти фундаменты имеют прямоугольное, круглое или кольцевое очертание.

Рис.Ф.9.22. Плитные фундаменты:

а – со сборными стаканами; б – с монолитными стаканами;

в – ребристая плита; г – плита коробчатого сечения;

1 – верхняя рабочая сетка; 2 – нижняя рабочая сетка;

3 – вертикальная арматура В отличие от рассмотренных ранее сплошные фундаменты обладают способностью изгибаться под действием внешних нагрузок.

Поэтому сплошные фундаменты армируются как в нижней, так и в верхней зоне сечения (рис.Ф.9.22). Армирование выполняется плос кими сварными сетками или отдельными стержнями, которые уклады ваются на поддерживающие каркасы.

Данный тип фундаментов в основном устраивается на слабых грунтах, так как эти фундаменты нечувствительны к неравномерным осадкам.

Ф.9.23. Почему у некоторых фундаментов подошва выполняется наклонной?

Подобные фундаменты применяются в том случае, если на обрезе фундамента действует наклонная нагрузка. Наклонная нагрузка возникает от распорных конструкций без затяжки. Примером являются Г образные рамы сельскохозяйственных зданий и арочные покрытия спортивных сооружений.

Фундаменты устраиваются в монолитном или сборном исполнении (рис.Ф.9.23) с углом наклона подошвы к горизонту не более 20°.

Устройство наклонной грани устраняет возможность сдвига фунда мента по подошве, тем самым повышется его устойчивость.

Рис.Ф.9.23. Фундамент с наклонной подошвой:

1 – цокольная панель; 2 – полурама;

3 – раствор; 4 – фундамент; 5 – подготовка Ф.9.24. Для чего под подошвой фундамента устраивается песчаная подготовка?

Основное назначение песчаной подготовки устранить неровности в плоскости контакта подошвы фундамента и грунта основания, образующиеся при разработке котлована. При этом предотвращается возможность смятия грунта и тем самым выравниваются контактные напряжения по подошве фундамента.

Песчаная подготовка устраивается в глинистых грунтах. В песчаных грунтах при устройстве монолитных железобетонных фундаментов роль песчаной подготовки выполняет слой из тощего бетона, называемый подбетонкой. Толщина подбетонки принимается равной 100 150 мм.

Целесообразно возводить фундаменты на промежуточной под готовке переменной жесткости в плане (рис.Ф.9.24). В этом случае эпюра контактных давлений трансформируется таким образом, что наибольшие давления на грунт концентрируются под бетонной частью подготовки.

Рис.Ф.9.24. Фундамент на промежуточной подготовке:

1 – эпюра контактных давлений; 2 – рыхлый песок;

Ф.9.25. В чем различие напряженного состояния под столбчатыми, ленточными и круглыми в плане фундаментами?

Характер распределения напряжений в грунтах зависит от вида нагрузки, приложенной на его поверхности.

Под подошвой столбчатых фундаментов, имеющей очертание в плане в виде квадрата или прямоугольника, напряжения и дефор мации, возникающие в грунте от нагрузки, передаваемой фунда ментом, распределяются в основании в условиях пространственной деформации. Поэтому для определения напряжений и деформаций в основании в этом случае следует использовать решение Буссинеска для сосредоточенной силы с интегрированием по площади квадрата или прямоугольника.

Под ленточными фундаментами мы имеем условия плоской деформации; поэтому для определения напряжений используется решение Фламана, полученное для линейной нагрузки с его интег рированием по ширине фундамента.

Для круглых в плане фундаментов, массив грунта под которыми находится в условиях осесимметричной деформации, применяется решение Буссинеска с интегрированием для нагрузки, равномерно распределенной по кругу.

Ф.9.26. В чем отличие центрально и внецентренно нагруженных фундаментов?

Центрально нагруженными называют фундаменты, у которых центры тяжести подошвы и внешней нагрузки находятся на одной вертикали (рис.Ф.9.26,а).

Внецентренно нагруженными называют фундаменты, у которых внешняя нагрузка приложена с эксцентриситетом относительно центра тяжести подошвы фундамента (рис.Ф.9.26,б).

Рис.Ф.9.26. Центрально (а) и внецентренно (б) нагруженные фундаменты. Эпюры реактивных давлений под подошвой фун даментов при различном эксцентриситете внешней нагрузки Для ленточных и столбчатых фундаментов из за их большой жесткости реактивные (контактные) давления под подошвой при нимаются распределенными равномерно у центрально нагруженных фундаментов или изменяющимися по трапецеидальному закону у внецентренно нагруженных фундаментов. В некоторых случаях при большой величине эксцентриситета внешней нагрузки эпюра реак тивных давлений может иметь треугольное очертание.

Для характеристики формы эпюры реактивных давлений под подошвой фундамента используется величина относительного эксцен триситета вертикальной нагрузки на фундамент = (рис.Ф.9.26).

При = 0 эпюра реактивных давлений прямоугольная, при 1/6 треугольная с нулевой ординатой в пределах части подошвы, то есть при этом происходит частичный отрыв подошвы от грунта. Последнее состояние допус кается только на стадии монтажа строительных конструкций.

Ф.9.27. В чем преимущество фундаментов с анкерами?

Фундаменты с жесткими анкерами применяются при действии значительных моментных нагрузок (крановых, ветровых), что позво ляет уменьшить крен и отрыв подошвы (рис.Ф.9.27). В нескальных грунтах в качестве анкеров используются забивные или буронабивные сваи диаметром 15 20 см и длиной 3 4 м, жестко соединяемые с плитной частью. В скальных грунтах анкеры представляют собой напрягаемые стержни с анкерными болтами.

Рис.Ф.9.27. Фундамент с анкерами:

1 – фундамент; 2 – арматура; 3 – анкеры Ф.9.28. Как выглядят фрагмент плана и одно из сечений ленточного фундамента?

На рис.Ф.9.28,а приведен фрагмент плана сборных фундаментов жилого здания, конструктивно выполненного из плит и фундаментных блоков. Марки плит обозначаются буквами Ф и числами, характе ризующими ширину и длину плиты и разделенными точками (например, для оси А Ф 14.24).

Плиты армируют одиночными сетками или плоскими арма турными блоками, собираемыми из двух сеток: верхней, имеющей маркировочный индекс К, и нижней С. В качестве рабочей арматуры применяется стержневая горячекатаная арматура из стали класса А III.

Рис.Ф.9.28. План ленточных фундаментов и разрезы (начало):

1 – гидроизоляция (обмазка битумом) Рис.Ф.9.28. План ленточных фундаментов и разрезы (окончание) Фундаментные стены выполнены из сплошных блоков марки ФБС.

На участке в осях 1 2 часть фундаментной стены выполнена из кирпичной кладки (рис.Ф.9.28,б). В этом случае в месте примыкания кирпичной стены к стене из фундаментных блоков введены арма турные сетки, которые уложены в каждом ряду блоков.

В осях 3–4 фундаменты имеют разные отметки заложения. Переход одного участка фундамента к другому осуществлен уступами, отно шение высоты к длине которых принимается: не менее 1:2 – при связных грунтах и 1:3 – при песчаных грунтах. Высота уступа принимается равной высоте фундаментного стенового блока или железобетонной плиты, которые при необходимости допускается укладывать на слой тощего бетона.

Для устройства проемов под инженерные коммуникации остав ляются проемы длиной не более 0,6 м, которые при необходимости заполняются кирпичной кладкой. При этом лежащий выше блок должен перекрывать проемы (рис.Ф.9.28,б).

На рис.Ф.9.28,б показана раскладка фундамента внешней оси. Как видно из этого рисунка, горизонтальная гидроизоляция устроена в двух уровнях: на расстоянии 10 см выше отмостки и 30 см от подготовки пола подвала. Внешняя поверхность подвальных стен защищена обмазочной изоляцией в два слоя.

Ф.9.29. Какой вид имеют фрагмент плана и одно из сечений фундамента производственного здания?

На рис.Ф.9.29,а показан фрагмент плана сборного фундамента под колонны механического цеха. Фундамент выполнен из монолитного бетона В12,5. Армирование осуществлено плоскими сварными сетками из арматуры класса А III. Защитный слой бетона равен 35 мм с одно временным устройством подготовки толщиной 100 мм из бетона В7,5.

Для опирания фундаментных балок предусмотрена подбетонка (рис.Ф.9.29,б). Как видно из этого рисунка, все размеры фундамента приняты кратными 300 мм. Верхний обрез фундамента находится на отметке 0,15 м.

Рис.Ф.9.29. Сборный фундамент под колонны механического цеха (начало) Рис.Ф.9.29. Сборный фундамент под колонны механического цеха (окончание). Фрагмент плана

Ф.10. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ

МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ ПО ДЕФОРМАЦИЯМ

Ф.10.1. В чем заключается сущность расчета по деформациям?

Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных и относительных перемещений фундаментов, а также надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гаран тируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, прогибов.

Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия где s совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом; su предельное значение совместной деформации осно вания и сооружения (см. Ф.4.5).

Ф.10.2. На какие виды подразделяются деформации оснований и сооружений?

Деформации оснований подразделяются на:

осадки деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;

просадки деформации, происходящие в результате уплотнения грунта и сопровождающиеся коренным изменением его структуры под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных факторов (замачивание просадочного грунта, оттаи вание ледовых прослоек в замерзшем грунте и др.);

подъемы и осадки, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии на них хими ческих веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаи вании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта);

оседания деформации земной поверхности, вызываемые раз работкой полезных ископаемых, понижением уровня грунтовых вод, проявлением карста;

горизонтальные перемещения деформации, связанные с дейст вием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных конструкций, подпорные стены) или со значительными вертикаль ными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса (см. Ф.5.5).

Ф.10.3. Какие деформации являются наиболее опасными для соору жений?

Наиболее опасны для конструкций зданий и сооружений нерав номерные деформации основания, которые вызывают дополнительные усилия в конструкциях. При этом чем больше деформация, тем больше могут быть усилия, которые при определенной их величине приводят к возникновению трещин в конструкциях.

Основными причинами возникновения неравномерных дефор маций являются:

неравномерная сжимаемость грунтов из за их неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев (рис.Ф.10.3);

Рис.Ф.10.3. Выклинивание разных по сжимаемости пластов грунта под сооружением неодинаковая нагрузка на фундаменты, вынуждающая предусмат ривать разные размеры их подошв, а это при одной и той же интенсивности давления на основание вызывает неравномерные осадки уплотнения;

неравномерное увлажнение просадочных и набухающих грунтов, приводящее к различным деформациям (просадка или подъем фун даментов);

неодновременное загружение фундаментов в процессе строи тельства и эксплуатации зданий, особенно при строительстве зданий вблизи существующих;

неравномерное распределение нагрузок на полы производ ственных зданий, а также наличие различающейся пригрузки вблизи здания или сооружения.

Ф.10.4. Как нормируются значения деформаций оснований?

Расчет оснований по деформациям производится из условия совместной работы сооружения и основания. При этом совместная де формация оценивается следующими расчетными показателями, вели чины которых не должны превышать их нормируемых значений (см.

Ф.5.6, Ф.5.7):

абсолютной осадкой основания отдельного фундамента s;

средней осадкой основания сооружения s ;

относительной неравномерностью осадок двух фундамен тов s/L;

креном фундамента или сооружения в целом i;

относительными прогибом или выгибом f/L отношением стрелы прогиба или выгиба к длине однозначно изгибаемого участка сооружения;

кривизной изгибаемого участка сооружения 1/R;

относительным углом закручивания сооружения = ;

горизонтальным перемещением фундамента u.

Средняя осадка определяется по формуле где si абсолютная осадка i го фундамента с площадью подошвы Ai.

Ф.10.5. Как определяются нормируемые (предельные) значения деформации основания?

Предельные значения деформации основания определяются с ис пользованием таблицы прил.Е СП [21], где приведены рекомендуемые значения: относительной разности осадок s/L, средней осадки основания s и крена фундамента i. Эти значения получены на ос новании многолетних наблюдений за деформациями зданий и соору жений с различной конструктивной схемой (см. Ф.10.7).

Ф.10.6. Зависит ли величина предельной деформации основания от грунтовых условий?

Предельные деформации основания не зависят от грунтовых ус ловий строительной площадки, а зависят только от конструкции здания или сооружения и его фундаментов. Чем выше жесткость здания, тем выше допускаемые предельные значения деформаций основания. Если для производственных и жилых зданий с полным каркасом максимальная осадка равна 8 см, то для сооружений элеваторов из железобетонных конструкций на монолитной плите средняя осадка составляет 40 см. Это объясняется тем, что элеваторы и дымовые трубы обладают большой способностью перераспределять усилия, возникающие при неравномерной деформации основания.

Ф.10.7. Как проектировать здание или сооружение, если неизвестно предельное значение деформации основания?

Согласно п.6 примечаний к таблице прил.Е СП [21], где приведены предельные значения деформации основания, допускается принимать предельные значения деформаций основания на основе опыта проек тирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Ф.10.8. Почему в таблице прил.Е СП [21] для элеваторов и дымовых труб не нормируется величина относительной разности осадок?

Это объясняется тем, что фундаментами подобных сооружений яв ляются, как правило, сплошные железобетонные плиты, которые могут получить при неравномерном загружении и неоднородном основании только крен или равномерную осадку.

Ф.10.9. Какие методы рекомендуются для расчета осадок фун даментов?

Расчет деформации основания может быть выполнен с исполь зованием как аналитических, так и численных методов расчета. К аналитическим методам относятся:

метод элементарного послойного суммирования. Методика рас чета изложена в главе 5 СП [21];

метод эквивалентного слоя грунта Н.А.Цытовича (см. ч.1, М.9.5;

М.9.15);

метод линейно деформируемого слоя.

Численные методы расчета основаны на использовании линейных или нелинейных решений теории упругости и теории пластичности (см. Ф.6.6).

Ф.10.10. Как рассчитать осадку основания методом послойного суммирования?

Осадка основания s с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле где безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8;

zp,i среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i м слое грунта, равное полусумме указанных напря жений на верхней zi 1 и нижней zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; hi и Ei соответственно толщина и модуль деформации i го слоя грунта; n число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания; z,i – среднее значение вертикального напряжения от собственного веса, выбранного при отрывке котлована; Ee,i – модуль деформации i го слоя грунта по ветви вторичного нагружения.

При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведен ной на рис.Ф.10.10.

Рис.Ф.10.10. Схема распределения вертикальных напряжений:

DL отметка планировки; NL отметка поверхности природного рельефа; FL отметка подошвы фундамента; WL уровень подземных вод; ВС – нижняя граница сжимаемой толщи Дополнительные вертикальные напряжения zp на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяются по формуле где коэффициент, принимаемый в зависимости от формы подошвы фундамента и относительной глубины = ; p0 дополнительное вертикальное давление на основание, определяемое из выражения p0 = p zg,0 ; p среднее давление под подошвой фундамента; zg, вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне по дошвы фундамента (при планировке срезкой принимается zg,0 = d, при отсутствии планировки и планировке подсыпкой zg,0 = dn, где удельный вес грунта, расположенного выше подошвы; d и dn глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки DL и от природного рельефа NL.

При подсчете осадок основание разбивается на отдельные элемен тарные слои, сжатие которых определяется от дополнительного верти кального нормального напряжения zp, действующего по оси фундамента в середине рассматриваемого слоя.

Суммирование по формуле проводится в пределах сжимаемой толщи основания Hc, нижняя граница которой определяется равенст вом zp=0,2zg, а для плитных фундаментов zp=0,5zg. Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации E 5МПа, то нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия zp=0,1zg.

Ф.10.11. Как определить упругий модуль деформации по ветви вто ричного нагружения?

Во второй член выражнения для определения осадки основания методом послойного суммирования входит параметр, называемый упругим модулем деформации. Этот модуль в [21] рекомендуется принимать (при отсутствии опытных данных) для сооружений II и III уровней ответственности по формуле где Е – модуль общей деформации, определенный из стандартных компрессионных испытаний в заданном интервале дополнительных давлений под подошвой фундамента (см. М.4.26). На рис. М.14.27 Ee обозначен как Er.

Для определения Ee необходимо провести нагружение образца грунта в компрессионном приборе нормальным давлением, равным напряжению от собственного веса грунта на уровне подошвы фун дамента (рис. Ф.10.11), затем уменьшить нормальное давление до нуля, вновь нагрузить этим же нормальным давлением и далее провести испытания (если это необходимо), прикладывая значения нормального давления ступенями, равными сумме предыдущих ступеней.

Рис. Ф.10.11. К определению модуля деформации на вторичной ветви нагружения Результаты испытаний показывают, что значение модуля Ee в некоторых случаях в 5 раз превышает значение Е; поэтому значение модуля Ee следует определять по результатам лабораторных испытаний, желательно в стабилометре.

Ф.10.12. В каком случае используется выражение (5.14) СП [21] для расчета осадки основания?

Это выражение используется при определении осадки, если глубина котлована превышает 5 м. При глубине котлована меньше 5 м осадка определяется этим же выражением, но второй член не учитывается. В другом случае, если среднее давление под подошвой фундамента ниже напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, т.е. p zg,0, то осадка определяется с исполь зованием только второго члена выражения (5.14) СП [21].

Ф.10.13. Как рассчитать осадку основания методом эквивалентного слоя грунта?

Осадка основания s методом эквивалентного слоя грунта опре деляется по формуле где hэ мощность эквивалентного слоя грунта, mv коэффициент относительной сжимаемости грунта; p0 допол нительное давление под подошвой фундамента; A коэффициент, определяемый по формуле здесь 0 коэффициент Пуассона грунта основания; b ширина подошвы фундамента; w коэффициент, зависящий от формы и жесткости фундамента.

Выражение для s применимо для случая однородного основания.

При слоистой толще грунтов необходимо найти среднее значение коэффициента относительной сжимаемости в пределах сжимаемой толщи Hc=2hэ (рис.Ф.10.13); см.также М.9.15 9.21 и [25].

Рис.Ф.10.13. Схема к расчету осадки основания методом эквивалентного слоя Ф.10.14. Как определяется осадка основания с использованием схемы линейно деформируемого слоя?

Осадка фундамента на слое конечной толщины (рис.Ф.10.14) определяется по формуле где p среднее давление под подошвой фундамента; b ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента; kc и km ко эффициенты, зависящие от сжимаемости основания; n число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах сжимаемой тол щи Hс; ki и ki 1 коэффициенты, определяемые в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля i го слоя; Ei модуль деформации i го слоя грунта. Коэффициенты ki приводятся в таблице приложения 2.СНиП [22], Рис.Ф.10.14. Схема для расчета осадки основания с использованием модели линейно деформируемого слоя Расчетная толщина линейно деформируемого слоя определяется с использованием выражения, приведенного в [22].

Ф.10.15. Можно ли использовать формулу Ф.Шлейхера для опреде ления осадки основания?

Осадка линейно деформируемого однородного основания по решению Ф.Шлейхера определяется из выражения где p давление под подошвой фундамента; b ширина прямоугольной площадки фундамента или диаметр круглой; коэффициент, зависящий от формы площади подошвы и жесткости фундамента; E и 0 модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта.

Последнюю формулу рекомендуется использовать для предвари тельной оценки осадок фундаментов. В большинстве случаев формула дает большие значения расчетных осадок по сравнению с методами послойного суммирования и линейно деформируемого слоя грунта.

Ф.10.16. Можно ли не выполнять расчет осадки оснований?

Можно, если основание сложено скальными породами или если среднее давление под фундаментами не превышает расчетного значения сопротивления грунтов основания. При этом следует учитывать требо вания табл. 5.9 СП [21] к грунтовым условиям строительной площадки.

Ф.10.17. Можно ли определить осадку при наличии областей сдвига под подошвой фундаментов?

Выражения пп. Ф.10.10, Ф.10.13 и Ф.10.14 получены в предполо жении отсутствия областей сдвига под подошвой фундамента, т.е. при давлениях, передаваемых на грунт фундаментом в фазе уплотнения по Н.М.Герсеванову или, иными словами, в пределах линейной зависи мости между напряжениями и деформациями в грунте. В то же время согласно СП [21] в основании допускается развитие областей сдвига, так как ширина подошвы фундаментов определяется с использованием расчетного сопротивления грунта, при котором в основании допускается возникновение областей сдвига. Таким образом, факти чески решения для определения осадки основания применяются при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунте, т.е. в фазе развития областей сдвигов.

Для определения осадки при давлении под подошвой фундамента, превышающем расчетное сопротивление грунта основания R, реко мендуется следующее выражение:

где sR осадка основания при давлении под подошвой фундамента, равном расчетному сопротивлению грунта основания; pu предельное сопротивление грунта основания, определяемое как отношение силы предельного сопротивления основания к приведенной площади фундамента N u / ( bl ) при b = b 2eb и l = l 2el ( здесь eb и el – экс центриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента); zg,0 вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фун дамента (см. рис. Ф.10.16,б).

Ф.10.18. Как можно учесть эффект разуплотнения грунта, возни кающий при разработке котлована, при расчете деформаций основания?

При разработке котлована, вследствие снятия напряжений от собственного веса грунта, наблюдается поднятие его дна из за наличия в грунтах упругих деформаций. Этот процесс характеризуется эффектом разуплотнения грунта основания.

В способе расчета осадок с помощью послойного суммирования осадка считается на действие не полного давления под подошвой фун дамента p, а на величину p0 = p zg,o. Этим как бы вводится предпо ложение, что подъема дна котлована после его вскрытия не происходит, а вторичное приложение этого же давления не вызывает дополнительной осадки. Такое предположение равнозначно тому, что модуль деформации при разгрузке и нагрузке при p zg,o равен бесконечности. В действительности, обычно модуль разгрузки в несколько раз (порядка четырех) больше, чем модуль нагрузки. Поэтому дополнительная осадка после разгрузки и последующей нагрузки таким же давлением будет присутствовать, но ее величина незначительна. Для такого расчета можно использовать схему с применением послойного суммирования.

Ф.10.19. Что такое расчетное сопротивление грунта основания?

Расчетное сопротивление грунта соответствует такому давлению под подошвой фундамента, при котором зоны пластических дефор маций развиваются на глубину z=b/4 (рис.Ф.10.19,а). На графике зависимости осадка – нагрузка (рис.Ф.10.19,б) это давление находится в начале фазы образования областей сдвига. Из решения Н.П.Пузы ревского при z=b/4 получено следующее выражение для расчетного сопротивления грунта основания (см.Ф.5.8):

где c1 и c2 коэффициенты условий работы, зависящие от вида грунта основания и жесткости сооружения; k коэффициент, принимаемый k = 1, если прочностные характеристики грунта и c определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по таблице СП [21] на основании физических характеристик грунтов;

M, Mq, Mc коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта; kz коэффициент, принимаемый при b < 10 м kz = 1, а при b 10 м kz = 0 + 0,2 (здесь z0 = 8 м); b ширина подошвы фундамента;

II осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, зале гающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод II определяется с учетом взвешивающего действия воды); II удельный вес грунта, находящегося выше подошвы фундамента; cII расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента; d1 глубина заложения фундаментов бес подвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле где hs толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала; hcf толщина конструкции пола подвала; cf расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала. Величина db глубина подвала расстояние от уровня планировки до пола подвала (для сооружений с подвалом B 20 м и глубиной свыше 2 м при нимается db = 2 м, при ширине подвала B > 20 м считается db = 0).

Если d1>d (где d глубина заложения фундамента), то d1 прини мается равным d, а db = 0 при любой форме фундаментов в плане.

Рис.Ф.10.19. Определение расчетного сопротивления грунта:

а – развитие зон предельного равновесия;

б – график зависимости осадки s от нагрузки p Ф.10.20. Что такое условное расчетное сопротивление грунта R0 и как оно определяется?