1. Определения основных понятий: фундамент, грунт, основание. Основные принципы проектирования по предельным состояниям.

Фундаментом называют расположенную ниже сплани­рованной поверхности земли часть сооружения, воспри­нимающую нагрузку от наземной части и передающую ее на основание. Поверхность фундамента, на кото­рую опирается конструкция, и поверхности уступов на­зывают обрезами; поверхность опирания фундамента на основание — подошвой; расстояние от спланированной отметки земли до подошвы — глубиной заложения фун­дамента. В некоторых инженерных сооружениях фунда­мент составляет одно целое с сооружением и не может быть выделен в самостоятельную конструкцию (напри­мер, подпорные стены). В этих случаях основание рас­сматривается для всего сооружения.

Грунтами называют раздробленные горные породы, состоящие из различных по форме и крупности (менее 200 мм) минеральных частиц, пустоты между которыми заполнены водой (раствором) или водой и воздухом (газом). В несвязных грунтах (песчаные грунты) связи между минеральными частицами ничтожно малы, в связных грунтах (глинистых) прочность этих связей значительно больше, но во много раз меньше прочности самих частиц.

Грунты обладают большой сжимаемостью и малой прочностью, что необходимо учитывать при возведении на них сооружений.

Основания — это ограниченные по глубине и простиранию массивы грунтов, на которых возводят сооружения и которые от собственного веса, приложенных нагрузок и других воздействий претерпевают вертикальные и горизонтальные перемещения. Считается, что перемещения происходят только за счет перегруппировки и деформации скелета грунта (частиц вместе со связанной водой), а сами минеральные частицы несжимаемы. Основания делятся на естественные и искусственные. Первые используют в условиях природного залегания или после несложной предварительной подготовки, а вторые предварительно улучшают различными способами.

Основание, состоящее из одного слоя грунта, называют однородным, а из нескольких пластов — слоистым. Слой, на котором возводят фундамент, называют несущим, а слои, расположенные ниже, — подстилающими. Прочность основания обусловливается прочностью несущего и подстилающих слоев грунта.

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. Первая группа по потере несущей способности — потеря устойчивости или формы, всевозможные виды разрушений, ползучесть или текучесть материала, чрезмерное раскрытие трещин и другие подобные дефекты всего сооружения или отдельных конструкций. Вторая группа по непригодности к нормальной эксплуатации — недопустимые перемещения трещины, колебания, затрудняющие нормальную эксплуатацию всего здания и сооружения или отдельных участков.

Проектирование оснований вместе с фундаментом по предельным состояниям заключается в выборе таких типов оснований и в назначении таких размеров фундаментов, которые обеспечат нормальную эксплуатацию зданий или сооружений. Деформации наземных конструкций от самого невыгодного сочетания нагрузок должны быть близки предельным значениям, но не превышать их. Проектирование следует вести с учетом природных особенностей строительной площадки, особенностей конструктивных решений и требований эксплуатации зданий пли сооружений, производства работ. Обеспечить все эти требования можно только при совместном расчете основания и фундамента как единой системы. Такие расчеты практически отсутствуют, поэтому систему расчленяют по контакту «основание — подошва фундамента» (см. рис. 1.8) и рассчитывают отдельно основание (с учетом особенностей фундамента и наземных конструкций) и отдельно фундамент (с учетом особенностей оснований и наземных конструкций). Последовательными расчетами необходимо добиваться, чтобы перемещения грунтов основания не вызывали предельных состояний в сооружении в целом и в отдельных конструкциях. Эти требования наиболее полно удовлетворяются при проектировании оснований по предельным состояниям.

Предельные состояния оснований существенно отличаются от предельных состояний строительных конструкций. Это объясняется различными условиями работы материалов в строительных конструкциях и грунтов в основаниях, разными их физико-механическими свойствами, разными критериями оценки прочности и деформативности оснований и возводимых на них фундаментов и наземных конструкций.

3.Определение размеров подошвы фундаментов мелкого заложения при действии внецентренной нагрузки.

Когда равнодействующая внешних сил какой-либо расчетной комбинации нагружения не проходит через центр тяжести площади подошвы фундамента, размеры подошвы фундамента определяют как внецентренно нагруженного элемента.

Расчет внецентренно нагруженного фундамента целесообразно производить в два этапа. Вначале такой фундамент рассчитывается как центрально нагруженный, включая проверку по условию:

Полученное значение площади подошвы иногда увеличивают на 10…20% и более в зависимости от эксцентриситета внешних сил. Затем последовательным приближением добиваются удовлетворения следующих условий:

• для максимального краевого давления при эксцентриситете относительно одной главной оси инерции подошвы фундамента

(5.14)

• для максимального давления под углом фундамента

(5.15)

Рекомендуется также не допускать отрыва подошвы фундамента от грунта. Это достигается соблюдением условия

(5.16)

В случае возникновения момента от кранов грузоподъемностью более 500 кН рекомендуется выполнять условие

(5.17)

В общем случае, если момент действует относительно обеих главных осей инерции (рис. 1), краевое давление

фундаментов относительно осей x и y, м⁴. Остальные обозначения даны на рис. 1.

Рис. 1. Схема подошвы и эпюры

давлений по краям давлений

по краям подошвы внецентренно

нагруженного фундамента.

Значение N_II представляет собой полную нагрузку на основание, т.е.

Применительно к прямоугольной площади подошвы фундамента формула (5.18) приводится к виду

где l – размер подошвы фундамента (больший) в плоскости действия момента, м.

Проверку давления под краем или углом фундамента обычно производят для двух комбинаций загружения: для максимальной нормальной силы N_maxII с соответствующим ей М_II и максимального абсолютного значения момента M_maxII с соответствующей силой N_II. Надо стремиться, чтобы от постоянных и длительных временных нагрузок давление было по возможности равномерно распределено по подошве, чтобы исключить развитие недопустимого крена.

Практика расчетов показывает, что наиболее сложно удовлетворить условию (5 14). Особенно часто это имеет место для легких арочных конструкций, передающих на основание большие моментные нагрузки. Для удовлетворения условия (5.14) следует уменьшить р_Iimax, либо увеличить R. Иногда приходится осуществлять обе перечисленные операции.

Уменьшение р_Iimax, как это вытекает из формулы (5.22), возможно при следующих операциях: увеличении А; увеличении l (при сохранении А); уменьшении е.

Увеличение площади подошвы фундамента А является самым распространенным мероприятием по снижению р_Iimax. Увеличение длины подошвы l, т.е. изменение ее геометрии (для отдельно стоящих фундаментов), еще более эффективно, однако в силу возможного неудобства в производстве работ, применяется реже. Уменьшение эксцентриситета е приводит к необходимости устройства несимметричного фундамента (рис. 2). При постоянном эксцентриситете применение несимметричной формы фундамента позволяет добиваться практически полной равномерности передачи давлений по подошве. В случае действия разных моментов смещение центра тяжести подошвы относительно старой оси рекомендуется на величину

Рис. 2. Схема смещения

центра тяжести

подошвы фундамента.

В исключительных случаях при очень больших эксцентриситетах фундамент может быть прикреплен к основанию вертикальными анкерами с предварительным их напряжением.

Как уже отмечалось, для удовлетворения условия (5 .14) можно также увеличить правую часть, т. Е. значение R. Наиболее эффективный путь в этом случае – заглубление фундамента. Подобное мероприятие нежелательно при наличии подстилающего слабого слоя в основании.

После удовлетворения условий (5.14).. (5 16) производят расчет фундамента на прочность, а затем расчет осадки и поворота фундамента. В необходимых случаях производится и расчет основания по несущей способности.