6.Розрахунок розмірів фундаментів

Фундаменти розраховуються залежно від розрахункової схеми навантажень. Критерії вибору розмірів підошви ґрунтуються, перш за все, на вимогах розрахунку основ за граничними станами. Згідно СНиП 2.02.01-83, розрахунок осадки ведеться в припущенні лінійної деформованості основи, що реалізується при виконанні наступних умов:

а) для центрально-стиснутих фундаментів p ≤ R ; (6.1)

б) для позацентрово стиснутих фундаментів при дії згинаючого моменту щодо кожної осі підошви фундаменту

p_max ≤ 1,2R ; (6.2)

в) для кутової точки позацентрово навантаженого фундаменту

p_max,c ≤ 1,5R ; (6.3)

де р — середній тиск під підошвою фундаменту від зовнішніх навантажень; p_max — максимальний крайовий тиск на грані підошви фундаменту від зовнішніх навантажень; p_max,c — максимальний тиск у кутовій точці підошви фундаменту; R — розрахунковий опір ґрунту основи.

Виходячи з лінійного розподілу тисків під підошвою фундаменту використовують наступні формули для визначення середнього і крайового тисків.

Середній тиск

p = γ_c,s d + F_v /A , (6.4)

де γ_c,s — усереднена питома вага матеріалу фундаменту і ґрунту на його уступах; звичайно γ_c,s = 20 кН/м³; d — глибина закладення фундаменту; F_v-результуюча вертикальна сила на обрізі фундаменту; A - площа підошви фундаменту.

Тому розміри для стрічкового, квадратного, круглого і інших фундаментів при дії центрального навантаження в нульовому наближенні визначаються з формули:

A=F_v /(R₀—γ_c,s d ). (6.5)

Останній вираз не дозволяє однозначно визначити ширину підошви b, оскільки вхідна в ці формули величина R залежить від b. На практиці використовують номограми або метод послідовних наближень.

Розрахунковий опір ґрунту R характеризує граничний рівень напружень у ґрунті, при якому основу ще можна вважати лінійно деформованим середовищем. Теоретичною основою розрахункової формули для обчислення R є рішення Н. П. Пузиревського про рівномірно розподілене смугове навантаження, граничне для пружного середовища в умовах плоскої деформації. Після введення в теоретичне рішення допущення про розвиток під краями фундаменту зон граничної рівноваги на глибину 0,25 b і врахування різних факторів ( особливостей фундаменту споруди і фундаментів великих розмірів, оцінюваних системою коефіцієнтів) розрахункова формула одержала вигляд, що рекомендується СНиП 2.02.01-83:

R = , (6.6)

де γ_с1 і γ_с2 — відповідно коефіцієнти умов роботи ґрунтової основи й умов роботи споруди у взаємодії з основою (табл. 6.1); k - коефіцієнт, що враховує спосіб визначення міцності характеристик ґрунту під підошвою ; M_γ, M_q, M_c - коефіцієнти, що залежать від значення кута внутрішнього тертя ґрунту під підошвою фундаменту (табл. 6.2);

b - ширина підошви фундаменту; k_z— коефіцієнт, що залежить від розміру підошви фундаменту: при b<10м, k_z = 1;при b≥10м, k_z =z₀ /b +0,2 (тут z₀ =8м); γ_II і γ_II' —осереднені розрахункові значення питомої ваги ґрунтів, що залягають відповідно нижче і вище підошви фундаменту; с_II—розрахункові значення питомого зчеплення ґрунту під підошвою фундаменту; d₁ — розрахункове значення глибини закладення фундаменту від рівня планування ; d_b - розрахункове значення глибини підвалу ( для опор мостів d_b =0). Формулу (6.6) допускається застосовувати при будь-якій формі фундаментів у плані. Якщо підошва фундаменту має форму кола або правильного багатокутника площею А, приймається b= . Якщо d₁ >d (d-глибина закладення фундаменту від рівня планування) у формулі (6.6) приймається d₁=d і d_b=0.

У циклі I як вихідне значення R використовують R₀, що в залежності від типу фундаменту підставляють в формулу (6.5). Одержавши значення b₁, підставляють його у формулу (6.6) і визначають R₁. Для циклу II вихідним значенням R є R₁, що підставляють формулу (6.5), і визначають b₂. Значення b₂, підставлене у формулу (6.2), дозволяє визначити R₂ . Порівнюють b₁ і b₂ ; якщо розбіжність між ними не перевищує 10 %, те ширину підошви при дії центрального навантаження приймають рівною b₂. У противному випадку обчислення продовжують доти, поки виконається умова

|1—b_i / b_i-1 | < 0,10. (6.7)

Вибравши основний варіант, по ньому слід проектувати решту фундаментів будівлі.

Решта фундаментів в завданні не розраховується. Їх розміри приймаються відповідно до діючих навантажень по аналогії з основним варіантом (як однотипні) і обов'язково показуються на кресленні.

Особливу увагу потрібно звернути на наступне положення: середній тиск по підошві фундаменту від нормативних навантажень не повинен перевищувати розрахункового опору ґрунтів основи.

Якщо в межах товщі, що стискається, виявляться шари ґрунту більш слабкі за несучою здатністю, ніж вище розміщені шари, то необхідно зробити перевірку міцності слабкого шару.

Фундаменти під стіни і колони рекомендується влаштовувати збірні.

Бажано, щоб збірні типові блоки, що приймаються за каталогом, були близькі за розмірами підошви до необхідних розрахункових.

Таблиця 6.1 . Коефіцієнт умов роботи γ_c1 , і γ_c2 при визначенні розрахункового опору ґрунту основи

Примітки: 1. Для будинків із гнучкою конструктивною схемою γ_c2 = 1

2. При проміжних значеннях L/H коефіцієнт γ_c2 визначається інтерполяцією

Таблиця 6.3. Безрозмірні коефіцієнти M_γ, M_q, M_c при визначенні розрахункового опору ґрунту основи

У випадку, якщо на глибині закладання підошви фундаменту залягають глинисті ґрунти, блоки-подушки укладають на шар піщаної підготовки завтовшки 10 см.

Конструктивна форма для нетипових, жорстких фундаментів, прийнятих в проекті, визначається властивостями будівельних матеріалів.

За наявності високого рівня ґрунтових вод необхідно передбачати спеціальну гідроізоляцію підвалу. В цьому випадку застосовуються конструкції підлоги підвалу, здатні сприймати підпір ґрунтових вод.

Фундаменти з паль. На підставі зіставлення варіантів і аналізу результатів техніко-економічних розрахунків фундамент з паль може бути прийнятий як основний варіант в курсовому проектуванні. Палями називають відносно довгі елементи, що занурені або сформовані в ґрунті у вертикальному або похилому положенні і передають навантаження на нижчезалягаючі шари ґрунту основи.

Фундаменти з паль часто застосовують при наявності у верхній зоні ґрунтів основи слабких ґрунтів, коли виникає необхідність передачі навантаження від споруди на більш щільні ґрунти, що залягають, у даному випадку, на деякій, іноді значній, глибині.

В умовах сучасного будівництва пальові фундаменти використовують дуже широко. Це обумовлено їх підвищеною несучою здатністю в порівнянні з фундаментами неглибокого закладення, що споруджують у відкритих котлованах, а також порівняно меншою трудомісткістю земляних робіт.

Пальовим фундаментом називають групу паль, об'єднаних зверху спеціальною конструкцією у виді плит або балок, що називають ростверками та призначені для передачі і рівномірного розподілу навантаження на палі. Ростверки, будучи несучими конструкціями, служать для обпирання надземних конструкцій споруд.

Пальові фундаменти мають віддавна широке поширення в практиці будівництва різних споруд на слабких ґрунтах. У залежності від способу передачі навантаження ґрунту палі можуть працювати або як стійки, або як висячі опори .

Палі-стійки прорізають товщу слабкого ґрунту і своєю підошвою опираються на міцний ґрунт, наприклад скелю, якщо останній залягає на практично досяжній глибині. Висячі палі своїм нижнім кінцем міцного ґрунту не досягають. Вони утримуються в слабкому ґрунті силами його опору, прикладеними до бічної поверхні паль і підошви.

На даний час застосовують найбільше часто залізобетонні палі, тому що промисловість будівельних матеріалів випускає широкий сортамент таких паль, що задовільняють усім запитам масового будівництва. Залізобетонні палі мають різні розміри і перетини. Найчастіше застосовують палі з квадратним суцільним, квадратним із круглою порожниною і порожнім круглим поперечним перерізом, постійним по всій довжині палі.

Квадратні палі виготовляють з розміром поперечного перетину від 20 х 20 до 40 х 40 см і довжиною від 3 до 20 м.

При необхідності одержання паль більшої довжини їх стикують з окремих секцій, що мають для цієї мети закладні деталі і дозволяють створювати болтове або зварне з'єднання.

Палі, що мають порожній перетин, випускають з наконечником і без нього, в останньому випадку занурення здійснюється без видалення ґрунту з внутрішньої порожнини.

В палях встановлюють подовжню і поперечну спіральну арматуру. Подовжню арматуру застосовують з попереднім напруженням або без нього. Крок спіральної арматури в голові й біля вістря роблять частішим, ніж в середині палі. Для сприйняття динамічного навантаження при забиванні і появою при цьому значних поперечних зусиль голову палі додатково армують 3...5 арматурними сітками.

Круглі пустотілі циліндричні палі виготовляють методом центрифугирования діаметром від 40 до 80 см при довжині від 4 до 12 м і товщині стінок 8...10 см. Палі діаметром від 60 см роблять із закритим нижнім кінцем у виді вістря. Такі палі особливо доцільні як палі тертя, тому що мають велику площу бічної поверхні на 1 м³ залізобетону і, отже, є більш економічними. Конструкція циліндричних паль дозволяє створювати і складені палі.

Порожню круглу палю, що має діаметр від 1 до 3 м, називають палею-оболонкою. Довжина паль-оболонок знаходиться в межах від 6 до 12 м при товщині стінок 12 см.

Існують нові конструктивні рішення залізобетонних паль, що мають як постійний перетин по довжині у виді трикутника, тавра, двотавру або хрестоподібний, так і змінний. Зокрема, застосовують пірамідальні, трапецевидні, ромбовидні, подовжньо розчленовані, що утворять козлоподібну конструкцію після занурення в результаті несиметричного загострення, палі з забивним оголовком і булавовидні. Забивний оголовок ущільнює ґрунт при зануренні і сам передає частину навантаження на основу. У деяких випадках застосування забивного оголовка дозволяє збільшувати несучу здатність фундаментів у 1,5...2 рази.

Проектування пальових фундаментів містить у собі рішення наступних питань: вибір глибини закладення ростверку, типу і конструкції паль; визначення несучої здатності палі, призначення необхідної кількості паль у фундаменті; конструювання фундаменту; розрахунок ростверку; визначення зусиль, що діють на найбільш навантажені палі, і їхнє порівняння з гранично допустимими за ґрунтом і матеріалом; розрахунок деформацій фундаментів і їх порівняння з гранично допустимими.

Необхідна кількість паль у фундаменті визначають на підставі результатів розрахунку на центральне або позацентрове зовнішнє навантаження після попередньої оцінки несучої здатності одиночної палі.

Визначивши необхідну кількість паль у фундаменті, призначають його конструкцію, розміщаючи палі рядами або в шаховому порядку, при цьому відстань між палями приймають рівним (3...6)d, де d - діаметр круглої або сторона квадратної палі. Розмістивши палі, конструюють ростверк, що звичайно виконують з монолітного або збірного залізобетону.

Висоту ростверку і його армування призначають на підставі результатів розрахунку, при цьому з конструктивних міркувань висота повинна бути рівною h₀ + 0,25 м, але не менш 0,3 м (h₀ -висота закладення палі в ростверку).

З'єднання паль з ростверком може бути шарнірним або жорстким. Шарнірне закріплення палі застосовують, якщо палі працюють в основному на стиск, коли ж вони сприймають значні горизонтальні навантаження, використовують жорстке закріплення голови палі в ростверк. При шарнірному зчленуванні палі зашпаровують у ростверк на висоту 5...10 см, при жорсткому — верхня частина голови палі розбивається на 25-30см й оголена арматура замонолічується в ростверк, при цьому ціла частина голови палі зашпаровується в ростверк також на глибину 5...10 см. Жорстке з'єднання іноді одержують за рахунок замонолічування цілої голови палі в ростверк на необхідну глибину.

Відстань від осі крайнього ряду паль до краю ростверку найчастіше приймають рівним розміру поперечного перерізу палі. При жорсткому з'єднанні ця відстань додатково уточнюється за результатами розрахунку закладення паль.

Визначення несучої здатності паль-стійок за ґрунтом. У зв'язку з тим що ґрунт під нижнім кінцем палі-стійки значно міцніший, ніж ґрунт, що оточує її бічну поверхню, несуча здатність буде залежати тільки від міцності ґрунту під нижнім кінцем палі, що визначають з виразу

F_d = γ_cRA, (6.8)

де γ_c = 1 — коефіцієнт умов роботи; R — розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем палі. Для всіх забивних паль, що спираються на скельні і грубоуламкові ґрунти з піщаним заповнювачем, а також у випадку обпирання на пилувато-глинисті ґрунти твердої консистенції R = 20 МПа. Для набивних паль і паль-оболонок, заповнюваних бетоном, забитих у невивітрілий скельний ґрунт без слабких прошарків не менш чим на 0,5 м:

R =R_сп /γ_g (l_d /d_f +1,5), (6.9)

де R_сп — значення нормативного опору скельної породи стиску у водонасиченому стані; γ_g=1,4 — коефіцієнт надійності за ґрунтом; l_d — розрахункова глибина закладення палі в ґрунт, d_f — зовнішній діаметр палі; А — площа обпирання палі на ґрунт, прийнята для паль із суцільним перетином, рівній площі поперечного перерізу; для порожніх паль при заповненій порожнині, рівній площі поперечного перерізу «брутто», у противному випадку — «нетто».

Визначення несучої здатності висячої палі за ґрунтом . Несуча здатність паль тертя в ґрунті залежить як від його опору зануренню палі, що розвивається як під нижнім кінцем палі, так і по її бічній поверхні.

Досить широке поширення одержали наступні методи визначення несучої здатності: практичний, що ґрунтується на табличних даних СНиПу, динамічний, статичного зондування й випробування паль статичним навантаженням.

У практичному методі несуча здатність паль тертя залежить від двох складових, що представляють собою опір ґрунту під нижнім кінцем і бічної поверхні палі, та визначається з виразу:

F_d= γ_c (γ_c RA + u), (6.10)

де γ_c = 1 — коефіцієнт умов роботи палі; γ_c і γ_cf — відповідно коефіцієнти умов роботи ґрунту під нижнім кінцем і по бічній поверхні палі, прийняті за даними табл. 6.3. у залежності від способу занурення і ґрунтових умов на будівельному майданчику; R — розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем палі, приведений в табл. 6.4 ; А — площа поперечного перерізу палі або площа камуфлетного розширення, прийнята за найбільшим діаметром; і — зовнішній периметр палі; f_i — розрахунковий опір ґрунту i-го шару по бічній поверхні палі (табл. 6.5); h_i — потужність i-го шару ґрунту, що прорізується палею.

Таблиця 6.3. Коефіцієнти умов роботи ґрунту

Примітка. Коефіцієнти γ_c і γ_cf в п.4 для пилувато-глинистих ґрунтів з показником текучості 0< I_L < 0,5 визначають інтерполяцією.

Таблица 6.4. Розрахунковий опір R

Примітка. Над рискою дані значення R для пісків, під рискою – для пилувато-глинистих ґрунтів.

Таблиця 6.5. Розрахунковий опір f

Примітки: 1. При визначенні f шари ґрунтів слід розділяти на однорідні шари товщиною не більше 2 м.

2. Розрахунковий опір щільних піщаних ґрунтів по бічній поверхні паль і паль-оболонок f варто збільшувати на 30 % у порівнянні зі значеннями, приведеними в таблиці.

Розрахунок фундаменту з паль приводиться в пояснювальній записці, а конструктивна частина показується на кресленні.

Розрахунок осадки фундаментів. Розрахунок деформацій основи проводиться методом пошарового підсумовування.

Роботи за визначенням осідання виконують в наступному порядку:

1. Будують геологічний розріз свердловини, на якому для кожного шару ґрунту указуються: порядковий номер, назва ґрунту, модуль деформації, об'ємна вага, потужність, глибина від поверхні землі до підошви шару, абсолютна відмітка і рівень ґрунтових вод.

2. На геологічному розрізі наносять в масштабі профіль заданого фундаменту (схему) на проектній відмітці.

3- Будують эпюру природного тиску від власної ваги ґрунту. Епюра будується від поверхні природного рельєфу, з лівого боку — від осі фундаменту. Для ґрунтів, що залягають нижче за рівень ґрунтових вод, необхідно враховувати зважувальну дію води.

4. Визначають величину додаткового (осадкового) тиску під підошвою фундаменту. Додатковий тиск приймається рівним розрахунковому (фактичному) тиску по підошві фундаменту за вирахуванням природного тиску на рівні підошви фундаменту. Осадка викликається додатковим вертикальним тиском р₀, що для фундаментів із шириною підошви b10 м приймається рівним середньому тиску р під підошвою фундаменту. Для фундаментів із шириною підошви b < 10 м враховується ефект заглибления, і тиск р₀ дорівнює різниці середнього тиску р і вертикального напруження від власної ваги ґрунту на рівні підошви фундаменту σ_zg,0 : (p₀=p - σ_zg,0).

5. Будують эпюру додаткового тиску. Побудова эпюры проводиться від підошви фундаменту в глибину. Додаткові напруження обчислюють, ґрунтуючись на теоретичному розв’язку про розподіл напружень в пружному півпросторі від рівномірно розподіленого навантаження на поверхні. На глибині z по центральній вертикальній осі фундаменту і вертикалі, що проходить через кутову точку, додаткове напруження визначається, відповідно,

σ_zp = α p₀, (6.11)

де р₀ = р — σ_zg, ₀ — додатковий вертикальний тиск на основу (для фундаментів шириною b 10 м, р₀ = р); р- середній тиск під підошвою фундаменту; σ_zg,₀ — вертикальне напруження від власної ваги ґрунту на рівні підошви фундаменту; α - коефіцієнт, що враховує зменшення додаткових напружень з глибиною.

Одержані дані наносять на графік з правої сторони від осі фундаменту і будують эпюру додаткового тиску в ґрунті від споруди.

Рис. 6.1. Розподіл з глибиною напружень від власної ваги ґрунту і додаткових напружень

Слід пам'ятати, що при побудові эпюр природного і додаткового тиску масштаби приймають однакові. Коефіцієнт α залежить від приведеної глибини ζ = 2z/b, на якій визначаються додаткові напруження, і співвідношення сторін підошви фундаменту η = l/b (причому b — менша сторона); значення α дані в табл. 6.6. При визначенні σ_zp,c вибираємо ζ = z/b.

Для побудови епюри додаткових напружень ґрунтова товща розбивається на елементарні шари h_i потужністю h_i = 0,2 b або h_i = 0,4 b . Використовуючи табл. 8.5.1, знаходять α_i по підошві кожного i-го елементарного шару. При цьому ζ = є глибина залягання підошвиi-го шару, віднесену до ½ ширини або радіусу підошви фундаменту. Множачи кожне зі значень α_i на значення додаткового тиску під підошвою фундаменту р₀, одержують чисельні значення додаткових вертикальних напружень по глибині.

Таблиця 6.6. Коефіцієнт α, що враховує розсіювання додаткових

напружень із глибиною (у методі пошарового підсумовування)

Примітка. Для проміжних значень ζ і η коефіцієнт α визначається інтерполяцією.

4. Згідно СНиП 2.02.01-83, у загальному випадку нижня границя стисливої товщі знаходиться на глибині, де виконується нерівність

σ_zp0,2 σ_zg .

7. Визначають осадку основи фундаменту. Загальна осадка основи рівна сумі осадок всіх елементарних шарів, на які розбита товща, що стискується.

8. Розрахунок основи по деформаціями закінчується перевіркою допустимості обчисленої осадки. Розрахункові осадки, абсолютні і відносні, повинні задовольняти граничним значенням приведеним в СНиП П-Б. 1-62* (табл. 10, 11).

9. За наявності близько розташованих фундаментів необхідно враховувати взаємний вплив їх на величину осідання. В цьому випадку потрібне додаткове визначення тиску по осі фундаменту, що розраховується, від сусідніх фундаментів, при цьому потужність товщі, що стискається, і величина розрахункової осадки збільшуються. Це виконується з застосуванням методу кутових точок.

Технологія будівельних робіт. Останнім етапом виконання курсового проекту є опис виробництва робіт по облаштуванню основ і фундаментів. В цьому розділі приводяться різні види виробництва робіт і типи механізмів, що рекомендуються, для їх виконання.

В розрахунково-пояснювальній записці слід вказати: як проводяться риття траншей, котлованів і зачистка їх дна, монтаж блоків фундаментів і стін підвалу; як влаштовуються вертикальна і горизонтальна гідроізоляції, піщана підготовка для збірних фундаментів, зворотна засипка пазух, планування майданчика і відмостка довкола будівлі.

Слід також зупинитися на виробництві робіт по ущільненню і закріпленню слабких ґрунтів основи (якщо це мало місце в проекті).

Залежно від ґрунтових умов будівельного майданчика повинні бути вказані заходи по збереженню природної структури ґрунту основи при проходженні котловану.

При високому рівні ґрунтових вод, коли підошва фундаменту закладається нижче за цей рівень, слід розглянути пристрій шпунтового огорожі, водовідвід і підводне бетонування (якщо це допускається в конструкції споруди).