3 Проектирование фундамента мелкого заложения на естественном основании

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА. ВЫБОР ОТМЕТКИ ОБРЕЗА ФУНДАМЕНТА

1. Определение глубины заложения подошвы фундамента

Глубина заложения фундаментов является одним из основных факторов, обеспечивающих необходимую несущую способность и деформации основа-ния, не превышающие предельных при условии нормальной эксплуатации.

Глубина заложения подошвы фундаментов должна определяться с уч том

[3, п. 2.25]:

• назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения;

• величины и характера нагрузок, воздействующих на основание;

• инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований);

• гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в про-цессе строительства и эксплуатации сооружений;

• глубины сезонного промерзания грунтов.

При выборе глубины заложения фундаментов рекомендуется предусмат-ривать заглубление в несущий слой грунта не менее чем на 0,5 м, учитывая возможность наклонного расположения сло в.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_fn [3, п. 2.26], если она принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонно-го промерзания грунтов под открытой, оголенной от снега поверхностью гори-зонтальной площадки. При отсутствии данных многолетних наблюдений нор-мативную глубину сезонного промерзания определяют на основе теплотехни-ческих расчетов. Для районов, где глубина промерзания менее 2,5 метра, нор-мативную глубину сезонного промерзания определяется по формуле

d fn  do М t ,				(3.1)

где М_t – коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений средне-месячных отрицательных температур за зиму в данном климатическом рай-

10

оне; d₀ – глубина промерзания (см), зависящая от вида грунта, принимается равной: для суглинков и глин 23 см; супесей, песков мелких и пылеватых - 28 см; песков гравелистых, крупных и средней крупности – 30 см; крупнообломоч-ных грунтов – 34 см.

При строительстве на суходоле минимальная глубина заложения подош-вы фундамента d_min=d_fn+0,25 м, но не менее 1 м. При возможности размыва грунта фундаменты мостовых опор должны быть заглублены не менее чем на 2,5 м от дна водотока после его размыва расч тным паводком.

Глубина заложения подошвы фундамента окончательно назначается при определении площади подошвы и проверке напряжений под подошвой фунда-мента.

Нормативную глубину сезонного промерзания также можно определить по схематической карте, где даны изолинии нормативных глубин промерзания для суглинков, т.е. при d₀ = 0,23 м.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по фор-

муле

(3.2)

где k_h – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения и принимаемый для отапливаемых зданий в зависимости от конструкций по-лов и температуры внутри помещений, а для наружных и внутренних фунда-ментов, неотапливаемых зданий k_h = 1.1.

В скальных, крупнообломочных с песчаным заполнителем грунтах, пес-ках гравелистых, крупных и средней крупности глубина заложения фундамен-тов не зависит от глубины сезонного промерзания грунтов, так как в этих грун-тах при замерзании не возникает сил морозного пучения.

Фундаменты будут испытывать деформации подъема при следующих усло-виях:

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 по-

верхности фундамента, будут больше нагрузок от веса фундамента и надзем-ных конструкций.

2. Выбор отметки обреза фундамента

Для фундамента опоры моста отметку плоскости обреза назначают обыч-но на 0,5 м ниже горизонта самых низких вод (в курсовой работе ниже горизон-та меженных вод^ ГМВ). На реках со значительным ледоходом отметку обреза

^Межень - ежегодно повторяющееся сезонное состояние низких (меженных) уровней воды в реках. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень.

11

фундаментов принимают ниже горизонта низкого ледохода с уч том толщины льда.

Обрез фундамента на суходоле назначают ниже на 10-15 см глубины раз-мыва поверхности грунта у опоры.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА И РАСЧЕТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ

Размеры обреза фундамента в плане принимают больше размеров над-фундаментной части опоры на величину с = 0,15-0,30 м в каждую сторону для компенсации возможных отклонений положения и размеров фундамента при разбивке и производстве работ (см. рис. 1.1).

Минимальная площадь подошвы фундамента рассчитывается по формуле
Amin  L  2cB  2c,	(3.3)

где L и В – ширина и длина надфундаментной части опоры в плоскости обреза фундамента, принимается по заданию.

Требуемая минимальная площадь подошвы фундамента в первом при-ближении может быть определена по формуле (3.3). При значительной верти-кальной и горизонтальной полезной нагрузке площадь фундаментов рекомен-дуется назначить больше минимальной.

Далее по формуле (1) приложения 24 [2] определяется расч тное сопро-

тивление грунта основания (кПа) при ширине подошвы фундамента b= B  2c

R  1.7R₀ 1  k₁ b  2 k₂ d  3, (3.4)

где R₀ – условное сопротивление грунта, кПа; b – ширина подошвы фундамен-та, м; при b>6 м принимается b = 6 м; d – глубина заложения фундамента, м; принимается от поверхности грунта (на суходоле) или дна водотока после размыва (в русле реки) до подошвы фундамента;  - осредненное по слоям рас-ч тное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фун-дамента, вычисленное без уч та взвешивающего действия воды, кН/м³, по формуле

	i hi	,	(3.5)
	hi

где  _i - удельный вес отдельных сло в грунта, лежащих выше подошвы фун-

дамента, кН/м³; h_i – толщина отдельных сло в грунта выше подошвы фунда-мента, м; k₁ и k₂ – коэффициенты, принимаемые по таблице 4, прил. 24 [2].

Если основание в постоянном водотоке сложено глинами или суглинка-ми, то значение R может быть увеличено в пределах водотока на 14,7d_, кПа,

где d_ - высота столба воды, м, от УМВ до дна водотока после размыва.

3. ПРОВЕРКА ПРИНЯТЫХ РАЗМЕРОВ ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА

Расч т преследует цель определить средние, максимальные и минималь-ные давления под подошвой фундамента и сравнить их с расч тным сопротив-лением грунта:

12

p 

N I



c

R

,

(3.6)

A



ср

n

pmax 

N I



M I



 c R

,

(3.7)

A

W

n

pmin 

N I



M I

 0 ,

(3.8)

A

W

где p_ср, p_max и p_min – соответственно среднее, максимальное и минимальное дав-ления подошвы фундамента на основание, МПа; N – расч тная вертикальная нагрузка на основание с уч том гидростатического давления воды, если оно имеется, МН; M – расч тный момент относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента, МНм;  _с =1,0 - коэффициент условий

работы (для нескальных оснований [2, п.7.8*]) ;  _n =1,4 - коэффициент на-д жности по назначению сооружения; А – площадь подошвы, м²; W- момент сопротивления по подошве фундамента, м³;

W 	bl	2	,	(3.9)
	6

где l - длина подошвы фундамента, м; b – ширина подошвы фундамента, м; R – расч тное сопротивление грунта под подошвой фундамента, МПа.

Определяем нормальную N и моментную нагрузки М, действующие на основание

N = 1,2(Ро+РП+Рф+Рв+Рг)+ 1.13Ртр,	(3.10)
M = 1,2T(Н+hф),	(3.11)

где Р_ф и Р_г – соответственно нагрузки от веса фундамента и грунта на его уступах (с уч том взвешивающего действия воды, при УПВ выше подошвы фундамента), МН; Р_в – нагрузка от веса воды, действующей на уступы фун-дамента (учитывается, если фундамент врезан в водонепроницаемый грунт), МН; Н – высота опоры моста, м; h_ф – высота конструкции фундамента, м.

Расч тные величины Р_о, Р_П, Р_тр, Т даны в таблице 2.5.

Если условия 3.6  3.8 не удовлетворяются, следует увеличить размеры подошвы фундамента и/или глубину заложения подошвы и пут м повторных расчетов добиться выполнения условий.

3.4 РАСЧЁТ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА ПО ДЕФОРМАЦИЯМ

Далее размеры фундамента проверяются расч том основания по деформаци-ям: определяется величина осадки и крена фундамента по приложению 2 [3].

13

3.4.1 Расчет деформаций оснований

Различные по величине осадки соседних опор не должны вызывать появле-ния в продольном профиле дополнительных углов перелома, превышающих для автодорожных мостов 2 %о [2, п.1.47].

Для расч та деформаций основания фундаментов по приложению 2 СНиП 3 рекомендует метод послойного суммирования: величина осадки фундамента определяется по формуле

n



E

h



S  

zpii

,

(3.12)

i 1

i

где = 0,8 – безразмерный коэффициент; _zpi – среднее вертикальное (допол-нительное) напряжение в i-м слое грунта; h_i и E_i – соответственно мощность и модуль деформации i-го слоя грунта; n – число сло в, на которое разбита сжимаемая толщина основания H_c.

Сжимаемая толщина основания Н_с определяется как расстояние от по-дошвы фундамента до нижней границы сжимаемой толщи; на рис. 3.1 нижняя граница обозначена символами В.С. При этом В.С находится на той глубине

под подошвой фундамента, где выполняется условие

_zpi = 0,2_zgi. (3.13)

Расч т начинается с построения эпюр бытовых _zgi и дополнительных

_zpi давлений, после чего определяется В.С., а затем определяется осадка S по формуле 3.12.

Порядок расчета осадки фундамента мелкого заложения методом послойного суммирования

1. вычерчивается расчетная схема (рисунок 3.1), на которой показывается расположение фундамента в грунтовом массиве;

2. определяются значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента и на границе каждого слоя грунта по формуле (графы 7,8 таблицы 3.1)

	zgi = zg0 +  i hi ,	(3.14)
где zg0 – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне
подошвы фундамента, определяемое по формуле zg0 = id0 ; i			–удельный
вес грунта сло в, залегающих выше подошвы фундамента; d0=  hi			– глубина

заложения подошвы фундамента, м; h_i - мощности геологических сло в грун-та, прорезаемых фундаментом, м. Если фундамент находится в акватории, то природное (бытовое) давление в плоскости подошвы фундамента определя-ется от поверхности водотока, т.е. с уч том веса воды, м;

Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод или ни-же воды в реке, но выше водоупора, должен определяться с уч том взвеши-вающего действия воды (таблица 2.1). В водоупоре напряжение от собственно-го веса грунта в любом горизонтальном сечении определяют без уч та взвеши-вающего действия воды.

По результатам расч та строится эпюра вертикальных напряжений от собственного веса грунта слева от оси фундамента в масштабе 1 см = 100 кПа.

14

3) значения дополнительных (уплотняющих) вертикальных напряжений по оси фундамента _zpi определяют под подошвой фундамента и до глубины, около 6…8 b, в каждом элементарном слое h_i мощностью не более 0,4 b, где b – ши-рина подошвы фундамента. При этом границы элементарных сло в должны совпадать с границами геологических сло в и уровнем подземных вод.

Дополнительное вертикальное напряжение в грунте в уровне подошвы фун-

дамента определяют по формуле
zp0 = pср - zg0.	(3.15)

Рисунок 3.1 – Расчетная схема определения деформаций основания фунда-мента мелкого заложения методом послойного суммирования с использованием расчетной схемы основания в виде линейно-деформированного слоя.

15

Среднее давление на грунт от нормативных постоянных нагрузок опреде-лено по формуле (3.16)

Дополнительные вертикальные напряжения в грунте вычисляются по

формуле (графы 4,5,6 таблица 3.1)
zpi = i zp0,	(3.16)

где _i – коэффициент, принимаемый по таблице 1 приложения 2 СниП [3] в за-висимости от соотношения сторон прямоугольного фундамента  = l / b и относительной глубины, равной  = 2z / b, где z – расстояние до границы эле-ментарного слоя от подошвы фундамента.

При построении эпюры значения дополнительных напряжений откладыва-ются вправо от оси фундамента в том же масштабе (в 1 см – 100 кПа).

4) определяют нижнюю границу сжимаемой толщи (В.С). Она находится на той глубине по оси фундамента, где соблюдается условие

zpi = 0,2zgi .	(3.17)
Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи находится	в слое

грунта с модулем деформации Е<5,0 МПа или такой слой залегает непосредст-венно ниже В.С., то нижняя граница определяется из условия

zpi = 0,1zgi.

(3.18)

Границу В.С. можно получить графически, построив справа от оси фун-

дамента эпюру фундамента 0,2 zgi

или

0,1 zgi. В точке пересечения с эпюрой

zpi получим границу В.С. Величина сжимаемой толщи Нс

- это расстояние по

вертикали от отметки заложения фундамента FL до В.С.

5)

определяют осадку каждого слоя основания по формуле (3.12).

Осадка основания фундамента получается суммированием величины

осадки каждого слоя в пределах Нс.

Расчет осадки методом послойного суммирования рекомендуется выпол-

нять в табличной форме (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1– Определение осадки основания фундамента опоры моста

Расстояниеотподошвы

фундаментадоподошвы

i-тогоzслоя

iМощностьслоягрунтаh

Удельныйвесгрунтаγ,кН/м3

ζ=2z/bКоэффициент(таблица1,прил.2,[2])

αКоэффициент(табли-ца1,прил.2,[2])

Дополнительноедавле-σние

Природноедавлениеσ

Мо-

, м

дуль

дефор-

Осадка

i

, м

кПа

0.2σzgi

мации

слоя Si,

i

кПа

кПа

Е,

см

zpi

,

МПа

,

zgi

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3.4.2 Проверка несущей способности подстилающего слоя грунта

При наличии слоя слабого грунта, залегающего ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи, выполняется проверка несущей способности

16

подстилающего слоя грунта по обязательному приложению 26 [2] исходя из ус-ловия

 (d + z ) +  (p - d)			R	,	(3.19)
	i	n

где р – среднее давление на грунт, кПа;  - среднее значение удельного веса грунта, расположенного над кровлей проверяемого подстилающего слоя грун-та, можно принять =19,62 кН/м³; d – глубина заложения фундамента от по-верхности грунта у опоры, а в русле рек – от дна водотока после понижения его уровня на глубину местного размыва; z_i – расстояние от подошвы фунда-мента до поверхности проверяемого подстилающего слоя грунта, м;  - ко-эффициент, принимаемый по таблице 1 приложения 26 [2]; R – расчетное со-

противление подстилающего слоя грунта, кПа; _n=1,4 – коэффициент надеж-ности по назначению сооружения.

3.4.3 Крен фундамента

Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле (10) приложения 2 [3]

i 	1 2			MII
		ke			,		(3.20)
			a / 23
	Ek m

где Е - модуль деформации, МПа;  - коэффициент Пуассона грунта основа-ния; k_e– безразмерный коэффициент, принимаемый по таблице 5 приложения 2 [3]; М_II – момент, действующий вдоль соответствующей стороны прямо-угольной подошвы фундамента, МНм; а – сторона подошвы прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент М_II; k_m – безразмер-ный коэффициент ( см. таблицу ниже или таблицу 3, приложения 2 [3] ).

Среднее значение модуля	Значения коэффициента km при ширине фундамента b, м, рав-
деформации грунта осно-		ной
вания Е, МПа	b < 10	10 ≤ b ≤ 15	b > 15
Е < 10	1	1	1
Е ≥ 10	1	1,35	1,5

Коэффициент Пуассона  принимается равным для грунтов: крупнообло-мочных - 0,27; песков и супесей – 0,30; суглинков – 0,35; глины – 0,42. В слу-чае неоднородного основания значения Е и  принимаются как средневзвешен-ное в пределах снимаемой толщи Н_с с уч том мощности слоев грунта.

Должно выполнятся условие

i  iu ,

(3.21)

где i_u  0,5l _p , предельно допустимый крен подошвы фундамента; l _p - длина меньшего, примыкающего к опоре, прол та моста, м.

3.4.4 Проверка положения равнодействующей активных сил

Для нескальных оснований фундамента мелкого заложения положение равнодействующей вертикальных нагрузок (по отношению к центру тяжести

17

площади подошвы фундамента), характеризуемое относительным эксцентриси-

тетом е0/r, должно быть ограничено значениями: для постоянных нагрузок –
0,1; постоянных и временных – 1,0, согласно п.7.7* и таблице 107 [2].
Эксцентриситет определяется по выражению
е0 = М / N,	(3.22)
а радиус ядра подошвы фундамента –
r = W / A,	(3.23)

где М – момент сил в площади подошвы фундамента, кНм, действующий от-носительно главной центральной оси подошвы фундамента; N – равнодейст-вующая вертикальных сил, кН; W – момент сопротивления площади фунда-мента, м³; А – площадь подошвы фундамента, м².

Если относительный эксцентриситет е₀/r больше единицы, максимальное давление р_max под подошвой фундамента следует определить исходя из тре-угольной формы эпюры давлений, построенной в пределах сжимаемой части основания фундамента.

5. Расч т фундамента на устойчивость против опрокидывания

Расч т фундамента на устойчивость должен исключать возможность его опрокидывания во взаимно перпендикулярных направлениях площади подош-вы фундамента [2, п. 1.40*]. Расч тная схема устойчивости основания фунда-мента представлена на рисунке 3.2.

Устойчивость фундамента против опрокидывания определяется по фор-

муле

Mu 	m  Mz	,	(3.24)
	n

где M_u и M_z - соответственно моменты опрокидывающих и удерживающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) фундамента, проходящей по крайним точкам О опирания, кНм; m= 0,8 - коэффициент ус-ловий работы; _n = 1,1 – коэффициент надежности по назначению.

Момент удерживающих сил M_z рассчитываем по выражению

Mz  NI  b / 2

(3.25)

3.4.6 Расч т фундамента на устойчивость против сдвига

Устойчивость фундамента против сдвига (скольжения) подошвы относи-тельно основания определяется по формуле [2, п. 1.41*]:

Qr 	m  Qz	,	(3.26)
	n

где Q_r и Q_z – соответственно горизонтальные сдвигающие и удерживающие силы в плоскости подошвы фундамента, кН; m= 0,9 - коэффициент условий работы; _n = 1,1 – коэффициент надежности по назначению.

Определяем горизонтальные опрокидывающую и удерживающую силы:

Qr = T (по заданию); Qz = f NI,

(3.27)

18

где f - коэффициент трения подошвы фундамента по грунту, принимаемый: для глин во влажном состоянии – 0,25; в сухом состоянии – 0,30; для суглинков и супесей – 0,30; для гравийных и галечниковых грунтов – 0,5; для песков – 0,4

[2, п. 7. 14].

		NI
	Mu	Mz
		Oz
O	Or
ось поворота		p
	b/2	b/2
		z

Рисунок 3.2 - Расчетная схема фундаментов на устойчивость

3.4.7 Конструирование фундамента мелкого заложения

Переход от стаканной части фундамента к подошве обеспечивается пут м устройства уступов (ступеней). Высота уступа фундамента принимается равной 0,7 – 2 м, а ширина – обычно не более 0,5 h_y, при этом отношение ширины ус-тупа к его высоте не должно превышать tg30⁰ = 0,577 [2, п. 7. 26].