Министерство образования и науки украины

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

КАФЕДРА «ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТЫ И ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

«ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ»

( для студентов очной формы обучения специальности

8.092 101 «Промышленное и гражданское строительство»)

№ кода 1709

У т в е р ж д е н о

на заседании кафедры ОФиПС

Протокол № 8 от19.02.2010 г.

Авторы:

д.т.н., проф. Петраков А.А., к.т.н., доцент Петракова Н.А. к.т.н., доцент Лобачева Н.Г.

Макеевка, 2010г.

Содержание

Лекция 1. Основные понятия и определения. Общая классификация оснований и фундаментов. Принципы проектирования оснований и фундаментов по предельным состояниям. Исходные данные для проектирования оснований и фундаментов. Нагрузки и воздействия 3

Лекция 2. Взаимодействие фундаментов с основанием. Основы

инженерной теории расчета конструкций на упругом основании. Расчетные схемы. Использование прикладных программ 16

Лекция 3. Фундаменты мелкого заложения. Общие требования по проектированию. Конструирование столбчатых фундаментов 40

Лекция 4. Расчет столбчатых фундаментов 53

Лекция 5. Проектирование и расчет ленточных и плитных фундаментов. . 66 Лекция 6. Проектирование и расчет свайных фундаментов 83

Лекция 7. Фундаменты глубокого заложения 98

Лекция 8. Фундаменты под машины с динамическими воздействиями. 105

Лекция 9. Искусственное улучшение свойств оснований. Защита фундаментов от грунтовых вод 113

Лекция 10. Реконструкция и усиление фундаментов и оснований. 126

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ.

1. Основные понятия и определения. Общая классификация оснований и фундаментов. Основание – это часть массива грунта, непосредственно воспринимающая нагрузку от сооружения и вследствие этого подверженная деформациям под воздействием этой нагрузки. Основание, сложенное грунтами природной структуры, называется естественным основанием. Основание из предварительно уплотненных грунтов или укрепленных грунтов называется искусственным основанием. Слой или пласт грунта, на который опирается фундамент, называется несущим. Нижележащий слой называется подстилающим.

Фундамент – это часть здания или сооружения, находящаяся ниже поверхности грунта и предназначенная для передачи нагрузок от сооружения на основание. Обозначенные на рис. 1.1 элементы фундамента имеют следующие определения. Обрез –этоповерхность сопряжения фундамента с

котлован

обрез

надземное строение нагрузка от сооружения

DL

Рис. 1.1.

FL _{d hf}

фундамент нагрузка на

Конструктивные элементы

основания и фундамента: d – глубина заложения фундамента;

подошва ИГЭ-1

b

несущий слой

основание

h_f – высота фундамента;

b – ширина подошвы фундамента;

ИГЭ-1, ИГЭ-2 –

ИГЭ-2

подстилающий слой

BC

геологические слои;

DL – отметка планировки; FL

– отметка подошвы фундамента;

ВС – нижняя граница сжимаемой толщи.

надземной частью сооружения. Подошва – это поверхность сопряжения фундамента с основанием.Глубина заложения фундамента – расстояние от поверхности грунта до уровня подошвы фундамента. Высота фундамента – расстояние от обреза до подошвы фундамента. Пазуха – пространство между боковой поверхностью фундамента и стеной котлована. Котлован – открытая выработка в грунтовом массиве, предназначенная для размещения фундамента.

Фундаменты под воздействием нагрузок от сооружения испытывают перемещения (рис. 1.2), основными из которых являются следующие: осадка

• это перемещение по направлению вертикальной оси фундамента; сдвиг – это перемещение в плоскости подошвы фундамента; крен – это угол поворота вертикальной оси фундамента.

y y'

^{ i} Рис. 1.2. Виды перемещений

фундамента, вызванные деформациями основания:

S – осадка;

 - горизонтальное перемещение;

i – крен.

x

S ^x'

Определение осадок, сдвигов и кренов является центральной задачей проектирования фундаментов. Поскольку основания фундаментов являются в большинстве своем сжимаемыми (за исключением скальных оснований), невозможно запроектировать фундамент, который не имел бы осадок под воздействием нагрузок от сооружения. Поэтому решение проблемы состоит в проектировании таких фундаментов, осадки которых были бы достаточно малыми и не приводили к разрушению надземных конструкций. Величины таких осадок регламентируются нормами строительного проектирования и не превышают нескольких сантиметров.

Конструкции фундаментов классифицируют по следующим признакам. По схеме взаимодействия с основанием(рис.1.3) различают фундаменты мелкого заложения и фундаменты глубокого заложения. Фундаменты мелкого заложения передают нагрузку на основание исключительно через подошву. Их боковые поверхности в работе не участвуют. По этой причине недостаточная плотность обратной засыпки пазух не влияет существенно на

а) ^{N }_^PdA б)

N _PdA _dF

^A A F

A



F

P

A

P

Рис. 1.3. Классификация фундаментов по схеме их взаимодействия с основанием: а – фундамент мелкого заложения; б – фундамент глубокого заложения; А – площадь подошвы фундамента; F – площадь боковой поверхности фундамента; N

– продольная сила; Р – давление по подошве;  - касательные напряжения по боковой поверхности.

несущую способность фундамента мелкого заложения. Фундаменты глубокого заложения передают нагрузку на основание не только по подошве, но и по боковым поверхностям за счет сил трения и сцепления, возникающих на контакте боковых поверхностей с грунтом.

Наиболее распространенным типом фундаментов глубокого заложения являются свайные фундаменты. Фундаменты мелкого заложения классифицируются по конструктивной схеме на столбчатые, ленточные и плитные (рис. 1.4).

^а) б) ^в)

стена

колонна

колонна

фундамент

фундамент

стена

Рис. 1.4. Классификация фундаментов мелкого заложения по конструктивной схеме: а – столбчатые фундаменты; б – ленточные фундаменты; в – плитные фундаменты.

Столбчатые фундаменты предназначены для передачи нагрузок на основание от колонн и столбов. Ленточные фундаменты передают нагрузки на основание от стен бескаркасных зданий. Плитные фундаменты применяются как в каркасных, так и в бескаркасных зданиях. Эти

фундаменты применяются для передачи нагрузок на слабые грунты, а также для передачи нагрузок на обычные основания от высоких сооружений, когда определенные расчетом площади подошвы столбчатых или ленточных фундаментов сливаются между собой. Фундаменты глубокого заложения классифицируются по конструктивной схеме на сваи, опускные колодцы,

_а) б)

наращивание фундамента в процессе возведения

сваи

Разрабаты-

ваемый грунт ^D

плита

в) ^г)

заполнен щебнем или бетоном

крупные блоки

заливка раствором или бетоном

D ^D

Рис. 1.5. Классификация фундаментов глубокого заложения по конструктивной схеме: а – свайные фундаменты; б – опускные колодцы; в – оболочки; г – столбы;

D – диаметр фундамента.

столбы и оболочки (рис. 1.5). Свая представляет собой вертикальный или наклонный стержень, закрепленный определенным образом в грунтовой среде. Опускной колодец - это цилиндрическая оболочка, погружаемая в грунт за счет разработки грунта внутри оболочки. Столбы и оболочки отличаются от сваи большими размерами поперечного сечения и технологическими приемами возведения.

По виду материалов, используемых для возведения фундаментов, последние подразделяются на: бутовые; грунтобетонные; каменные; бетонные; железобетонные; стальные; деревянные.

По методам возведения различают следующие виды фундаментов: в открытых котлованах; в вытрамбованных котлованах; в пробитых скважинах; в пробуренных скважинах; забивные; вибропогружаемые; задавливаемые (рис. 1.6).

По технологии возведения различают сборные, монолитные и сборно- монолитные фундаменты.

^а) б)

снаряд

вытрамбованный

^{котлован} уплотненная зона бетон

в) ^г)

молот

бетон ^д)

пробитая скважина

снаряд

пробуренная скважина

разработанная траншея

_е) ж) ^з)

домкрат

молот

вибратор

свая

свая

свая

Рис. 1.6. Классификация фундаментов по методам возведения:

а – в открытых котлованах; б – в вытрамбованных котлованах; в – в пробитых скважинах; г – в пробуренных скважинах; д – в разрабатываемых траншеях; е – забивные; ж – вибропогружаемые; з – задавливаемые.

2. Вариантное проектирование фундаментов. Вариантное проектирование в общем случае формулируется как многофакторная задача математического программирования. Решение проблемы сводится к решению транспортной задачи об отыскании экстремумов целевого функционала при заданных граничных условиях. Рассматриваемую задачу можно сформулировать следующим образом: определить минимально возможную приведенную стоимость возведения фундаментов проектируемого сооружения при заданных интервалах изменения влияющих параметров, к которым относятся следующие: инженерно-геологические условия площадок строительства; конструктивные решения фундаментов; схемы взаимодействия фундаментов с сооружением; сроки строительства; технологическая оснащенность подрядных организаций; цены отечественных и зарубежных поставщиков и целый ряд других факторов, приобретающих решающее значение в конкретных условиях осуществления инвестиционного проекта. В общем виде поставленная задача не имеет примеров практического разрешения из-за ее непомерной сложности уже на уровне постановки. В проектных организациях разработаны и эксплуатируются отдельные программные комплексы, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры отдельных видов фундаментов: столбчатых, ленточных, плитных, свайных. Оптимизация осуществляется при заданных нагрузках и инженерно-геологических условиях строительной площадки. В качестве граничных условий рассматриваются условия прочности, жесткости и трещиностойкости. На практике под вариантным проектированием чаще всего понимают разработку нескольких конкурирующих технических решений фундаментов и выбор из них наиболее оптимального по показателю приведенной стоимости возведения в данных инженерно-геологических условиях. При этом конкурирующими могут быть как фундаменты различных конструктивных систем, так и варианты технических решений фундаментов одного и того же вида, например, варианты столбчатых фундаментов или вариантысвайных фундаментов. В вариантные проработки часто включают технические решения по улучшению строительных свойств грунтов, например, за счет применения грунтовых подушек и т.п.

3. Принципы проектирования оснований и фундаментов по предельным состояниям. Основания и фундаменты являются частью конструкций сооружения, в связи, с чем их проектирование осуществляется в соответствии с принципами, принятыми в теории строительных конструкций. Основания и фундаменты следует рассчитывать по двум группам предельных состояний: по несущей способности или непригодности к эксплуатации – I группа предельных состояний; по деформациям или непригодности к нормальной эксплуатации – II группа предельных состояний.

Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях и по несущей способности в случаях, оговоренных ниже:

а) на основание передаются большие сосредоточенные нагрузки (подпорные стены, распорные конструкции), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

в) основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми или биогенными грунтами при коэффициенте консолидации C_v 10⁷ см²год;

г) основание сложено скальными грунтами.

Расчет оснований по несущей способности производится из условия:

 F

F  ^{c u} ,

 _n

где F – расчетная нагрузка на основание; F_u – сила предельного сопротивления основания; _с – коэффициент условий работы,

(1.1)

принимаемый в диапазоне 0,8 – 1,0 в зависимости от вида грунта; _n – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15; 1,10 соответственно для зданий и сооружений I, II, III классов.

Расчет оснований по деформациям производится из условия:

s s_u ,

где s – совместная деформация основания и сооружения, определяемая

(1.2)

расчетом; s_u – предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое нормами.

Деформации основания в зависимости от причин возникновения подразделяются на два вида: деформации от внешней нагрузки на основание (осадки; просадки от внешней нагрузки структурно неустойчивых грунтов,

например, при изменении их влажности; горизонтальные перемещения); деформации, не связанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания (оседания, вызванные подземной разработкой полезных ископаемых; просадки грунтов от собственного веса; подъемы при набухании грунта и т.п.).

Как следует из формулы (1.2), расчет оснований по деформациям должен производиться, как правило, из условия совместной работы сооружения и основания. Совместная деформация сооружения и основания может характеризоваться: абсолютной осадкой отдельного фундамента s; средней осадкой основания сооружения s_ср; относительной неравномерностью осадок двух фундаментов sL; креном фундамента или сооружения в целом i; относительным прогибом или выгибом fL; кривизной изгибаемого участка сооружения ; относительным углом закручивания сооружения ; горизонтальным перемещением фундамента или сооружения в целом u.

Предельное значение совместной деформации основания и сооружения S_u учитывается в формуле (1.2) в двух видах как S_u,s и S_u,f. При этом каждое из условий в расчете оснований по деформациям должно выполняться.

Предельное значение совместной деформации основания и сооружения S_u,s устанавливается нормами проектирования исходя из необходимости соблюдения технологических или архитектурных требований (изменение проектных уровней, положения сооружения в целом, отдельных его элементов и оборудования, включая требования к нормальной работе лифтов, кранового оборудования и т.п.).

Предельные значения совместной деформации основания и сооружения S_u,f устанавливается на основании расчета сооружения во взаимодействии с основанием и гарантирует соблюдение требований по прочности, устойчивость и трещиностойкость конструкций, включая общую устойчивость сооружения.

Нормами на проектирование оснований допускается для отдельных видов зданий и сооружений использовать табличные значения предельной совместности деформации S_u (см. табл. 2.1), под которой следует понимать наименьшее из двух значений S_u,s и S_u,f. При этом совместная деформация

основания и сооружения S в формуле (1.2) определяется в предположении нулевой жесткости сооружения

Расчет оснований и фундаментов, как любой другой конструкции, связан с решением прямой или обратной задачи. Прямая задача, связанная с определением конструктивных параметров оснований и фундаментов по заданным нагрузкам и грунтовым условиям, решения не имеет. Объясняется это тем, что исходные данные, принимаемые для проектирования оснований и фундаментов, в свою очередь зависят от подлежащих определению конструктивных параметров. Например, необходимое для определения размеров подошвы фундамента расчетное сопротивление грунта зависит от неизвестной ширины подошвы, нагрузки на фундаменты зависят, как правило, от жесткостных характеристик системы «основание – фундамент», зависящих в первую очередь от размеров фундамента в плане и т.д. Задачи подобного типа называются неголономными и подлежат решению итерационными методами. В основе итерационных методов лежит решение обратной задачи, связанной с проверкой прочности, жесткости и трещиностойкости конструкции при заданных ее конструктивных параметрах (размерах, схемах армирования, классах материалов по прочности и т.п.). Обратные задачи, называемые проверками, имеют замкнутые аналитические решения. Таким образом, прямая задача решается как последовательность обратных задач с уточнением на каждом шаге итерации конструктивных параметров проектируемой системы.

4. Исходные данные для проектирования. Нагрузки и воздействия. Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор: типа основания (естественное или искусственное); типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные и др.; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др.); мероприятий, применяемых при необходимости для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность сооружения. Исходные данные для проектирования включают: сведения о проектируемом объекте, его объемно-планировочных и конструктивных решениях, величинах постоянных и временных нагрузок; данные об инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях на площадке строительства; данные горно-геологического обоснования строительства (при строительстве на подрабатываемых территориях); сведения о наличии в

районе строительства индустриальной строительной базы; сведения о технологической оснащенности подрядных строительных организаций и др.

Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик грунтов, приводимых в отчете об инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства (более подробно см. в учебном пособии по курсу "Инженерные изыскания"). Расчетные значения характеристик грунтов С,  и  для расчетов по несущей способности обозначаются С_I, _I, _I, а для расчетов по деформациям C_II, _II,

_II.

Нормативное значение характеристики грунта определяется как ее среднее значение по n-определениям. При статистической обработке результатов испытаний грунта вычисляется среднеквадратическое отклонение  и коэффициентвариации v. По коэффициенту вариации и числу определений характеристики вычисляется показатель точности _ и коэффициент надежности по грунту _g. При вычислениях используют параметр t_, являющийся табличным коэффициентом распределения Гаусса для заданной доверительной вероятности (обеспеченности) расчетной характеристики грунта (0,85 для расчетов по деформациям и 0,95 для расчетов по несущей способности). Расчетная характеристика грунта X_I(II) определяется делением ее нормативного значения X_n на коэффициент надежности по грунту. Вычисления выполняются по следующим формулам:

X ¹ 

n _n

n

_X _i ;

i 1

  ¹

n 1

n

_

i1

( X _n

• X _i

)² ;

v ^ ;

X _n

(1.3)



_{ }t_ v _;

n

 _g 

1 _;

(1 _ )

^X I ( II )

^{X n} .

 _g

По результатам гидрогеологических изысканий на площадке строительства при проектировании оснований и фундаментов учитывается возможность изменения гидрогеологических условий площадки в процессе строительства и эксплуатации сооружения, а именно: наличие или возможность образования верховодки (грунтового потока, формирующегося с поверхности основания); естественные сезонные и многолетние колебания уровня подземных вод; возможное техногенное изменение уровня подземных вод; степень агрессивности подземных вод по отношению к материалам подземных конструкций.

_{q (кН/м)} q (кН/м)

а) б) ^в)

М (кНм) М (кНм) ^{М (кНм)}

^МА М_В

М_А М_В

М_А ^МВ

Нагрузки на фундаменты должны, как правило, определяться из совместного расчета системы «основание – фундамент – верхнее строение». Как уже отмечалось, нагрузки на фундаменты существенно зависят от результатов деформационного взаимодействия фундаментов с сооружением с учетом податливых свойств грунтов основания. Первоначально нагрузки на фундаменты определяются по правилу грузовых площадей и в дальнейшем многократно уточняются по результатам совместного расчета фундаментов как конструкций на упругом основании с сооружением.

В качестве примера рассмотрим влияние жесткости основания на формирование моментных нагрузок на фундаменты П–образной рамы (рис.1.7). Скальному основанию соответствует отсутствие угловых перемещений фундаментов и эпюры изгибающих моментов в элементах рамы, показанные на рис. 1.7 а. При этом нагрузками на фундаменты являются изгибающие моменты М_А и М_В, действующие в сечениях колонн на обрезе фундаментов. Если основание сложено деформируемым грунтом, например, глиной, действие моментной нагрузки М_А и М_В вызовет поворот фундаментов на угол  (рис. 1.7 б). Угловые перемещения фундаментов как нагружающий фактор вызовут в элементах рамы дополнительные внутренние усилия, в частности, эпюры изгибающих моментов, показанные на рис. 1.7 б. В результате этого произойдет перераспределение внутренних усилий в элементах рамы (рис. 1.7 в), следствием чего произойдет уменьшение узловых моментов в колоннах и ригеле и увеличение пролетного момента в ригеле. Моментные нагрузки на фундаменты изменятся в сторону

уменьшения.

_{q (кН/м)} q (кН/м)

а) б) ^в)

М (кНм) М (кНм) ^{М (кНм)}

^МА М_В

М_А М_В

Рис. 1.7. Перераспределение изгибающих моментов в элементах рамы, вызванное угловыми перемещениями столбчатых фундаментов за счет неравномерного сжатия грунта: а – усилия в раме на жестком основании; б – усилие в раме от поворота фундаментов, вызванных опорными изгибающими моментами М_А и М_В; в

– усилия в раме на грунтовом сжимаемом основании; q – распределенная нагрузка на ригель рамы; f – углы поворота фундаментов, вызванные опорными моментами М_А и М_В.

В рассмотренном примере параметрами взаимодействия являются изгибающие моменты в сечениях обреза фундаментов и угловые перемещения фундаментов. При этом достаточно знать величины изгибающих моментов на обрезе фундаментов. Тогда угловые перемещения могут быть определены как крены фундаментов при известных моментных нагрузках. Следует также обратить внимание на то, что изменение вида грунтовогооснования приводитне только к изменению нагрузок на фундаменты, но и вызывает перераспределение внутренних усилий в элементах рамы. Совершенно очевидно, что величины параметров взаимодействия изменятся также при изменении размеров сечений элементов рамы, размеров подошвы фундаментов и других конструктивных параметров элементов системы.

При расчете фундаментов различают постоянные и временные нагрузки, которые в свою очередь подразделяются на длительные, кратковременные и особые. К постоянным нагрузкам относят вес частей сооружения, вес и давление грунта. Кратковременные нагрузки двойного толкования (с длительно действующей частью) учитываются: в расчетах по несущей способности – как кратковременные; в расчетах по деформациям – как длительные. Крановые нагрузки во всех случаях учитываются как кратковременные. В расчетах оснований необходимо учитывать нагрузки от складируемых материалов и оборудования, размещаемых вблизи фундаментов.

Расчет оснований по деформациям должен производиться на основное сочетание нагрузок; по несущей способности – на основное и, при необходимости, на особое сочетание нагрузок. Температурно-климатические воздействия при расчете оснований по деформациям не учитываются.

При расчетах оснований и фундаментов по предельным состояниям первой и второй группы необходимо принимать расчетные нагрузки, получаемые умножением нормативных нагрузок на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке, а также учитывать возможные сочетания нагрузок в соответствии с требованиями СНиП по нагрузкам и воздействиям.

Нагрузки на основание допускается определять без учета их перераспределения фундаментной конструкцией при расчете: оснований зданий и сооружений III класса; общей устойчивости массива грунта основания совместно с сооружением; средних значений деформаций основания; деформаций основания в стадии привязки типового проекта к местным грунтовым условиям.