Основные принципы проектирования оснований и фундаментов по предельным состояниям

Фундаменты, являются неотъемлемой частью любого здания и большинства сооружений, значительно отличаются по своей работе от остальных строительных конструкций. Задача фундаментов состоит в том что бы обеспечить передачу нагрузки от строения на грунты основания. Под воздействием нагрузок от сооружения грунт, в основном, работает на сжатие и на сдвиг, что приводит к деформациям основания и осадкам зданий.

Таким образом, задача проектирования во многом состоит в «приспособлении» сооружения к геологическим условиям площадки строительства и в комплексном рассмотрении системы «основание - фундамент - сооружение». Особенностью проектирования системы «основание - фундамент» является недостаток исходной информации, характеризующей основание в целом и каждого слоя в отдельности.

В связи с этим проектирование фундаментов всегда сопряжено с риском, оценить который не всегда представляется возможным. Вместе с тем ошибки при проектировании могут привести к потере устойчивости или развитию недопустимых деформаций основания сооружения.

В основу проектирования оснований и фундаментов заложены следующие принципы:

1) проектирование оснований сооружений по предельным состояниям;

2) учет совместной работы системы «основание - фундамент - сооружение»;

3) комплексный учет факторов при выборе типа фундаментов, несущего и подстилающих слоев основания в результате совместного рассмотрения, в том числе:

• инженерно-геологических условий площадки строительства;

• особенностей сооружения и чувствительности его несущих конструкций к неравномерным осадкам;

• методов выполнения работ по подготовке оснований и устройству фундаментов.

Комплексный взаимный учет всех этих факторов делает задачу проектирования и устройства фундаментов сложной и ответственной. Ошибки, допущенные при проектировании и возведении фундаментов, могут привести к проведению дополнительных мероприятий, значительно превышающих стоимость фундаментов.

Основные требования к проектированию оснований и фундаментов При разработке проектов фундаментов необходимо обеспечить:

• прочность и эксплуатационную надежность зданий и сооружений (деформации конструкций не должны превышать предельно допустимых величин);

• максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;

• минимальную стоимость, материалоемкость и трудоемкость устройства фундаментов;

• максимальное сокращение сроков строительства.

До 1962 г. фундаменты проектировали по допускаемым нагрузкам, а затем перешли к проектированию по предельным состояниям.

Сейчас в расчете оснований рассматриваются их предельные состояния по несущей способности (первое предельное состояние) и по деформациям (второе предельное состояние). При этом оба вида указанных состояний между собой, как правило, не совпадают. Часто оказывается, что несущая способность грунтов по устойчивости еще далеко не исчерпана, а в осадках фундаментов уже достигнуто предельное состояние их развития. Поэтому расчет оснований по деформациям обычно считается основным, а расчету устойчивости грунтов чаще придают проверочный характер.

Виды предельных состояний

Напряженно-деформированные состояния, при которых конструкции сооружений и их оснований перестают удовлетворять установленным нормативными документами требованиям, в результате чего становятся непригодными к эксплуатации, называют предельными состояниями и подразделяют на две группы.

Вторая группа по непригодности к нормальной эксплуатации — недопустимые перемещения трещины, колебания, затрудняющие нормальную эксплуатацию всего здания и сооружения или отдельных участков.

Расчет по деформациям(2 группа) заключается в выполнении

условия

s<s_U

S – ожидаемая совместная осадка сооружения и основания по расчету;

S_U – предельно допустимая осадка основания и сооружения.

На величину S – влияет жесткость сооружения, уменьшая неравномерные осадки, однако до настоящего времени жесткость сооружения в расчет обычно не учитывается – что идет в запас расчета.

Под S – может быть: - абсолютная осадка;

- средняя осадка; (S_ср)

- разность осадок; (ΔS)

- крен;

- прогиб

- выгиб; кривизна; угол закручивания;

- горизонтальные смещения.

S_ср = (a₁F₁S₁ + a₂F₂S₂ +...+ a_nF_nS_n )/( a₁F₁ + a₂F₂ +...+ a_nF_n)

где a₁,a₂ ,a_n - количество одинаковых фундаментов, имеющих площади F₁ ,F₂ ,F_n - соответственно.

S₁ ,S₂ ,S_n – подсчитанные осадки.

Опыт строительства показывает, что легкие здания в однородных грунтах при согласованном залегании слоев, сжимаемость которых с глубиной уменьшается, получают осадки в 2-3 раза меньше предельных, и тогда нет необходимости рассчитывать осадку.

Напомним также, что важнейшей предпосылкой применения методов расчета осадок, основанных на использовании положений теории линейного деформирования грунта, является ограничение среднего давления под подошвой фундамента р условием p≤R, где R— расчетное сопротивление грунтов основания.

Очевидно, что чем больше при прочих равных условиях будет величина R, тем большее давление под подошвой фундамента р может быть допущено. При постоянной нагрузке от сооружения на фундамент это приведет к уменьшению площади его подошвы, т. е. позволит принять более экономичное решение. Поэтому совершенствованию способов определения расчетного сопротивления грунтов основания в практике фундаментостроения уделяется большое значение.

R = (γ_c1 γ_c2 / k) [M_γk_zb_γII + M_qd₁ γ_II' + (M_q – 1)d_b γ_II'+M_cc_II] (1)

где, γ_c1 – коэффициент работы грунтового основания (1,1 – 1,4)

γ_c2 - коэффициент работы здания или сооружения во взаимодействии с основанием (1,1…1,4 для здания с жесткой конструктивной схемой; 1 – для здания с гибкой конструктивной схемой).

k – коэффициент надежности (1,1 – при определение характеристик грунтов по косвенным данным); (1 – при определение характеристик грунтов по непосредственным данным).

M_γ; M_q; M_c - эмпирические коэффициенты, зависящие от φII (расчетное значение угла внутреннего трения).

b – меньшая сторона подошвы фундамента (м);

γ_II'- осредненное (по слоям) расчетное значение удельного веса грунта, залегающего выше отметки подошвы фундамента;

γ_II – то же, но залегающего ниже подошвы фундамента;

c_II – расчетное значение удельного сцепления;

d_b – глубина подвала (м);

d₁ –глубина заложения фундаментов без подвальных сооружений; приведенная глубина заложения для зданий с подвалом.

R – расчетное сопротивление грунта основания, это такое давление, при котором глубина зон пластических деформаций () равна 1/4b.

Для зданий III и IV класса можно не вычислять R, а принимать это значение по таблице СНБ. Там собраны и обобщены опытные данные, начиная с Российской империи.

В таблицах СНБ R₀ – называется условным расчетным сопротивлением (обычно используется для зданий с _b = 0,6…1,5 м и d = 1…2,5 м для грунтов, у которых сжимаемость с глубиной не увеличивается и пласты залегают горизонтально).

Первая группа — расчеты по несущей способности, призванные не допустить потери устойчивости формы или положения конструкции; хрупкое, вязкое или иного характера ее разрушение; возникновение резонансных колебании при динамических воздействиях; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести.

Проектирование по предельному состоянию по устойчивости, несущей способности (первое предельное состояние)

Условия расчета

1. Наличие постоянно действующей горизонтальной составляющей

2. Основание ограничено нисходящими откосами

3.При проектировании анкерных фундаментов, работающих на выдергивание

4.При наличии в основании скальных пород

Расчет оснований и фундаментов по первой группе предельных состояний (по прочности и устойчивости) производится исходя из условия

F≤γ_cF_U/γ_n

где F— расчетное усилие на основание или фундамент при основном или особом сочетании нагрузок; F_U- сила предельного сопротивления основания (несущая способность); γ_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным для песков, кроме пылеватых, 1,0; для песков пылсватых, а также глинистых фунтов в стабилизированном состоянии - 0.9; для глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии - 0,85; для скальных фунтов невыветренных и слабовыветренных - 1,0, выветренных - 0,9, снльновыветренных - 0.8; γ_n - коэффициент надежности по назначению сооружений, принимаемый для сооружений 1 класса равным 1.20, II класса- 1,15 и III класса- 1,10.

Для скальных грунтов

R_c — расчетное значение временного сопротивления образца скального грунта сжатию в водонасыщенном состоянии.

N_n - вертикальная составляющая силы предельного сопротивления.

b^/, l^/ - приведенные ширина и длина фундамента

Для однородных нескальных грунтов несущую способность находят аналитически

l_y I_n l_c - коэффициенты влияния угла наклона нагрузки

n_у n_q n_с - коэффициенты влияния соотношения сторон прямоугольного фундамента

Графоаналитический метод определения N_u с построением кругло цилинд­рических поверхностей скольжения - применяется если:

- основание сложено неоднородными грунтами;

- величины пригрузок с разных сторон фундамента отличаются, > чем на 25%.

Недостатки проектирования фундаментов по R:

Выравнивание давления приводит к разной ширине подошвы фундамен­та и разной величине активной сжимаемой толще, значит и к разным (нерав­номерным) осадкам.

Правильнее проектирование вести по заданной (одинаковой) величине осадки с проверкой расчета по первому предельному состоянию, или расчет одновременно по двум предельным состояниям.

Назначение глубины заложения фундамента

При проектировании фундаментов (т.е. определения основных его размеров) необходимо обеспечить надежное существование сооружений.

Деформации оснований значительно больше деформаций конструкций здания (1/100; 1/200; 1/300 – пролета конструктивного элемента).

Осадки же фундаментов могут определяться десятками сантиметров. (Su = 30 см – для сооружений дымовых труб.)

Данное обстоятельство объясняется тем, что свойства грунтов значительно отличаются от подобных характеристик других строительных материалов:

для грунта Е₀ = 2…200 МПа, для конструкций Е =60010³ МПа

т.е. грунт во много раз более деформируемый материал, и от его деформаций зависит состояние надземных конструкций.

Выбор глубины заложения фундаментов – очень важный момент в проектирование фундаментов.

Это определение прежде всего несущего слоя (пласта) грунта.

Нужно ли заглублять фундаменты?

1. Верхние грунты, как правило, слабые (почвенный слой + органические вещества).

2. Верхние слои грунта систематически получают перемещения (пучение, усадка, набухание)

3. Верхние слои грунта могут разрушаться, терять свою прочность. Происходит так называемый процесс выветривания; изменение механических характеристик грунта, что приводит к неожиданным неравномерным осадкам.