Фундамент

ЛЕКЦИЯ № 1 1.1. Введение Фундамент – это подземная часть сооружений, которая воспринимает нагрузку от его надземной части и передает ее на основание. Мировой опыт строительства показывает, что большинство аварий построенных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством оснований, что проявляется в накоплении грунтами основания достаточных деформаций, т.е. как правило в период эксплуатации. Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных ИГУ может достигать 20-30 % и более. Поэтому необходимо уметь принимать (проектировать) абсолютно обоснованные и экономически выгодные конструктивные решения фундаментов. Основанием называют толщу грунтов, на которых возводится сооружение и в которых возникают напряжения и деформации от передаваемых на них нагрузок. N d фундамент p b основание Рис 1. - Основание и фундамент Таким образом, проектирование оснований и фундаментов должно включать в себя обоснованный расчетом выбор типа основания (естественное или искусственное); типа конструкции, материала и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры, площади подошвы и т.д.), а так же мероприятий, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность и долговечность сооружения. 1 Проектирование ОиФ нормативными документами: производится в соответствии с 1. СП 22.13330.2011 – Основания зданий и сооружений; 2. СП 24.13330.2011 – Свайные фундаменты; 3. СП 45.13330.2011 – Земляные сооружения, основания и фундаменты; 4. СП 50-101-2004 Проектирование устройства основания и фундаментов зданий и сооружений; 5. СП 28.13330.2011 – Защита строительных конструкций от короззии. При этом необходимо: 1. Обеспечить прочность и эксплуатационную надежность сооружения (абсолютные осадки, а также их разность, не должны превышать допускаемые для данных сооружений), т.е. S≤Su. 2. Максимально использовать прочностные свойства грунтов, а также материалов фундаментов. 3. Минимальная стоимость фундамента, сокращение трудоемкости и сроков производства работ. Порядок проектирования О и Ф: 1. Изучить материалы инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических изысканий на площадке будущего строительства. (Обязательно должно быть изучение архивных материалов, особенно в условиях городской застройки). 2. Произвести анализ проектируемого здания с точки зрения оценки его чувствительности к неравномерным осадкам. 3. Определить нагрузки на фундаменты. 4. Выбрать несущий слой грунта. 5. Рассчитать предложенные варианты фундаментов по 2-м предельным состояниям (прочность и деформации). 6. Произвести экономическое сравнение вариантов и выбрать наиболее дешевый. 7. Произвести полный расчет и проектирование выбранного варианта фундамента. 1.2. Фундаменты мелкого заложения. Основные сведения. К ФМЗ относятся фундаменты, имеющие отношение высоты к ширине подошвы, не превышающее 4, и передающие нагрузку на грунты основания преимущественно через подошву. d ≤ 4 ⇒ ФМЗ b 2 ФМЗ возводятся в открытых котлованах или в специальных выемках, устраиваемых в грунтовых основаниях. Рис 2. Схема фундамента мелкого заложения: 1 – фундамент; 2 – колонна; 3 – обрез фундамента. ФМЗ по условиям изготовления разделяют на: • монолитные, возводимые непосредственно в котлованах. • сборные, монтируемые из элементов заводского изготовления. По конструктивным решениям ФМЗ разделяют на: • отдельно стоящие фундаменты: a) под колонну (опору); b) под стены (при малых нагрузках). • ленточные фундаменты: a) выполняются под протяженные конструкции (стены); b) выполняются под ряды и сетки колонн в виде одинарных или перекрестных лент. • сплошные (плитные) фундаменты: выполняются в виде сплошной железобетонной плиты, как правило, под тяжелые сооружения. Такие фундаменты разрезаются в плане только осадочными швами, что способствует уменьшению неравномерности осадки сооружения. • массивные фундаменты: выполняются в виде жесткого компактного железобетонного массива под небольшие в плане тяжелые сооружения (башни, мачты, дымовые трубы, доменные печи, устои мостов и т.п.). 3 Рис 3.- Основные типы фундаментов мелкого заложения: а – отдельный фундамент под колонну; б – отдельные фундаменты под стену; в – ленточный фундамент под стену; г – то же, под колонны; д – то же, под сетку колонн; е – сплошной (плитный) фундамент. ФМЗ изготовляют из следующих материалов: • железобетон • бетон • бутобетон • каменные материалы (кирпич, бут, пиленные блоки из природных камней) • в отдельных случаях (временные здания) допускается применение дерева или металла. 1.3. Конструкции фундаментов мелкого заложения 1.3. а. Отдельные фундаменты Могут выполняться в монолитном или сборном варианте. Представляют собой кирпичные, каменные, бетонные или железобетонные столбы с уширенной опорной частью. Фундаменты имеют наклонную боковую грань или, что чаще, уширяются к подошве уступами, размеры которых определяются углом жесткости α (≈30-40º), т.е. предельным углом наклона, при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения. 4 Рис 4. - Конструкция жесткого фундамента: а – с наклонными боковыми гранями; б – уширяющийся к подошве уступами. Сопряжение сборных колонн с фундаментом осуществляется с помощью стакана (фундаменты стаканного типа), монолитных колонн – соединением арматуры колонн с выпуском из фундамента, а стальных колонн – креплением базы колонны к анкерным болтам. Рис 5. - Сборный фундамент под колонну: а – из нескольких элементов; б – из одного элемента; 1 – фундаментные плиты; 2 – подколонник; 3 – рандбалка; 4 – бетонные столбики; 5 – монтажные петли. Размеры в плане подошвы, ступеней и подколонника монолитных фундаментов принимаются кратным 300 мм, а высота ступеней принимается кратной 150 мм. При устройстве отдельных фундаментов под стены по обрезу фундаментов, а при необходимости и через дополнительные опоры, укладываются фундаментные балки (рандбалки), на которые упираются подземные конструкции (рис.5.а). В тех случаях, когда это возможно, сборный фундамент устраивают из одного элемента (рис.5.б) или переходят на монолитный вариант фундамента. 5 С целью сокращения трудоемкости работ по устройству фундаментов и уменьшению их стоимости создаются новые типы фундаментов, которые в соответствующих грунтовых условиях оказываются более экономичными по сравнению с традиционными типами (рис.6). Рис. 6 - Буробетонные (а), щелевые (б) и анкерные (в) фундаменты: 1 – колонна; 2 – арматурный каркас; 3 - фундамент; 4 – подколонник; 5 – плитная часть; 6 – бетонные пластины; 7 – анкеры (буронабивные сваи) d=15-20см, l=3-4м. 1.3. б. Ленточные фундаменты Ленточные фундаменты под стены: также устраивают либо из сборных блоков, либо монолитными (см. рис. 7). Рис 7. - Ленточные фундаменты: а – монолитный; б – сборный сплошной; в – сборный прерывистый; 1 – армированная лента; 2 – фундаментная стена; 3 - стена здания; 4 – фундаментная подушка; 5 – стеновой блок. Чтобы уменьшить объем железобетона в теле фундамента, иногда применяют ребристые железобетонные блоки или плиты с угловыми вырезами (рис. 8). Рис. 8 -. Конструкции фундаментных плит: а – сплошная; б – ребристая; в – с угловыми вырезами. 6 Фундаментные стеновые блоки (ФБС) изготовляют из тяжелого бетона, керамзитобетона или плотного силикатного бетона. Ширина блоков принимают равной 50-60см. Надземные стены не должны выступать над фундаментными более чем на 15 см. Высота типовых стеновых блоков составляет 280 или 580 мм (20мм на цементный шов). Для повышения жесткости сооружения (выравнивания осадок, антисейсмические мероприятия и т.п.) сборные фундаменты усиливают армированными швами или железобетонными поясами, устроенных поверх фундаментных плит или последнего ряда стеновых блоков по всему периметру здания на одном уровне. Под колонны ленточные фундаменты устраивают в виде одиночных или перекрестных лент и выполняют, как правило, в монолитном варианте из железобетона. Возможно их устройство и в сборном варианте в виде отдельных блоков, соединяемых между собой с последующим омоноличиванием стыков. 1.3. в. Сплошные фундаменты (плитные фундаменты) Выполняются, как правило, из монолитного железобетона. По конструктивным особенностям различают: • Плитные (гладкие, ребристые); • Коробчатые (см. рис.9). Рис 9. - Сплошные фундаменты: а – гладкая плита со сборными стаканами; б – гладкая плита с монолитными стаканами; в – ребристая плита; г – плита коробчатого сечения. 7 Толщину плиты определяют расчетом на моментные нагрузки (от изгиба в двух взаимно перпендикулярных направлениях) и исходя из расчета на продавливание в местах опирания колонн. Опирание колонн осуществляется через сборные и монолитные стаканы, ребристые плиты соединяются с колоннами с помощью монолитных стаканов или выпусков арматуры. 1.3. г. Массивные фундаменты Выполняются в монолитном варианте. С целью сокращения объема бетона в тело массивного фундамента закладывают пустообразователи. При передаче на такой фундамент больших моментов (мачты, дымовые трубы и т.п.) целесообразно его усиление анкерами, что позволяет повысить устойчивость сооружения, уменьшить его размеры и массу. Рис 10. - Массивный фундамент с пустообразователями: 1 – фундамент; 2 – пустообразователи. 1.4. Расчет отдельно стоящих фундаментов мелкого заложения В большинстве случаев основные размеры фундаментов мелкого заложения определяются исходя из расчета оснований по деформациям (по второму предельному состоянию). Рассмотрим основные этапы расчета отдельно стоящих фундаментов мелкого заложения: 1. Определение усилий, возникающих в несущих конструкциях в уровне обреза фундамента (из статического расчета каркаса здания). 2. Оценка инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства, определение нормативных и расчетных значений характеристик грунтов (определение плотности грунта, влажности грунта, плотности твердых частиц грунта, расчётного сопротивления грунта под подошвой условного фундамента по определенной скважине ИГР и т.д.); 3. Выбор глубины заложения подошвы фундамента (в зависимости от глубины сезонного промерзания грунта, вида грунта, конструктивных особенностей сооружения, глубины заложения рядом расположенных фундаментов и коммуникаций); 8 4. Назначение предварительных размеров подошвы фундамента; 5. Проверка краевых давлений под подошвой фундамента и вычисление расчетного сопротивления грунта основания R (обязательное выполнение условия Р < R, где P – среднее давление под подошвой фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок при расчете по деформациям); 6. Проверка напряжений по кровле слабого подстилающего слоя при его наличии под подошвой фундамента; 7. Расчет осадки фундамента и сопоставление его с предельнодопустимыми значениями по известным аналитическим методам (метод послойного суммирования см. п.п. 5.6.31-5.6.42 СП22.13330.2011) Рассмотрим некоторые этапы расчета ФМЗ более подробно. 1.4.а. Определение глубины заложения фундамента При выборе глубины заложения фундамента руководствуются следующими факторами: • Геологическое строение участка и его гидрогеология (наличие воды); • Глубина сезонного промерзания грунта; • Конструктивные особенности здания, включая наличие подвала, глубину прокладки подземных коммуникаций, наличие и глубину заложения соседних фундаментов. При выборе типа и глубины заложения фундамента придерживаются следующих общих правил: • Минимальная глубина заложения фундамента принимается не менее 0,5 метров от планировочной отметки; • Глубина заложения фундамента в несущий слой грунта должна быть не менее 10-15 см; • По возможности закладывать фундаменты выше УГВ для исключения необходимости применения водопонижения при производстве работ; • В слоистых основаниях все фундаменты предпочтительно возводить на одном грунте или на грунтах с близкой прочностью и сжимаемостью. Если это условие невыполнимо, то размеры фундаментов выбираются главным образом из условия выравнивания осадок. Определение глубины сезонного промерзания грунта производится согласно требованиям СП 22.13330.2011. Так как многие водонасыщенные глинистые грунты обладают пучинистыми свойствами, т.е. увеличивают свой объем при замерзании, за счет образования в них прослоек льда. Замерзание сопровождается подсосом грунтовой воды из ниже лежащих слоев, за счет чего толщина прослоек льда еще более увеличивается. Это приводит к возникновению сил пучения по подошве фундамента. Которые могут вызвать подъем сооружения. 9 d df Последующее оттаивание таких грунтов приводит к резкому их увлажнению, снижению их несущей способности и просадкам сооружения. Наибольшему пучению подвержены грунты, содержащие пылеватые и глинистые частицы. К непучинистым грунтам относят: крупнообломочный грунт с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности, глубина заложения фундаментов в них не зависит от глубины промерзания (в любых условиях). силы морозного пучения Рис.11 - Схема морозного пучения основания Если выполняется условие ddf k h ⋅ d fn , где Расчетная глубина промерзания грунта: d= f k h - коэффициент, учитывающий тепловой режим подвала здания, определяется по табл. 5.2 СП 22.13330.2011; d fn - нормативная глубина сезонного промерзания грунта, определяется по ф. 5.3 СП 22.13330.2011. d fn= d 0 ⋅ M t , где M t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по т. 5.1 СП 131.13330.2012 Учет конструктивных особенностей сооружения. Основными конструктивными особенностями возводимого сооружения, влияющими на глубину заложения его фундамента, являются: • Наличие и размеры подвальных помещений, приямков или фундаментов под оборудование; • Глубина заложения фундаментов примыкающих сооружений; • Наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций и конструкций самого фундамента. Глубина заложения фундамента принимается на 0,2-0,5 м ниже отметки пола подвала (или заглубленного помещения), т.е. на высоту фундаментного 10 блока. Фундаменты сооружения или его отсека стремятся закладывать на одном уровне. Рис. 12. - Выбор глубины заложения фундамента в зависимости от конструктивных особенностей сооружения: а – здание с подвалом в разных уровнях и приямком; б – изменение глубины заложения ленточного фундамента; 1 – фундаментные плиты; 2 – приямок; 3 – трубопровод; 4 – стена здания; 5 – подвал; 6 – ввод трубопровода; 7 – стеновые блоки. В других случаях, разность отметок заложения расположенных рядом фундаментов (Δh) не должна превышать: c ∆h ≤ a ⋅ ( tgϕ + ) , где a – расстояние в свету между фундаментами; I I P P – среднее давление под подошвой расположенного выше фундамента. Фундаменты проектируемого сооружения, непосредственно примыкающие к фундаментам существующего, рекомендуется закладывать на одном уровне, либо проведение специальных мероприятий (использование шпунтовых стен). Ввод коммуникаций (трубы водопровода, канализации) должен быть заложен выше подошвы фундамента. труба труба Рис.13 - Схема неправильного и правильного ввода коммуникаций При этом условии трубы не подвержены дополнительному давлению от фундамента, а фундаменты не опираются на насыпной грунт траншей, вырытых для прокладки труб. Кроме того, при необходимости замены труб не будут нарушены грунты основания. 11 1.4.б. Назначение предварительных размеров подошвы фундамента Площадь подошвы предварительно может быть определена из условия: N A= , где N - сжимающее усилие в уровне подошвы R − γ mt ⋅ d фундамента, кН; R - расчетное сопротивление грунта, на который опирается 20кН / м3 фундамент, определяется согласно ф. 5.7 СП 22.13330.2011; γ mt = среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах. После предварительного подбора ширины подошвы фундамента необходимо уточнить расчетное сопротивление грунта R=f (b, φ, c, d, γ). После того, как был подобран размер фундамента с учетом модульности и унификации конструкций производят проверку краевых давлений под подошвой фундамента. 1.4.в. Проверка краевых давлений под подошвой фундамента Для выполнения проверки должны быть обеспечены такие неравенства: • для центрально сжатых конструкций - P ≤ R ; N + Gf + Gg P= , где Gf - собственный вес конструкции отдельно A стоящего фундамента, кН; G g - собственный вес грунта на уступах фундамента, кН. ⇒ Gf + G g =γmt ⋅ A ⋅ d ; A= b ⋅ l - фактическая площадь столбчатого фундамента, м2 Pmt ≤ R  • для внецентренно сжатых конструкций - Pmax ≤ 1.2 ⋅ R P ≥ 0  min Краевые значения давления определяются по формулам внецентренного сжатия. N M b 2l Pmax= ± + γ mt ⋅ d , где W = - момент сопротивления подошвы min A W 6 фундамента м3; M II = M + Q ⋅ h f - момент, приведенный к центру тяжести подошвы фундамента; N , Q и M - усилия в уровне обреза фундамента. Рис. 14. - Эпюры давлений под подошвой фундамента при действии внецентренной нагрузки. 12 Двузначную эпюру стараются не допускать, т.к. в этом случае образуется отрыв фундамента от грунта. Поскольку в случае действия внецентренного нагружения максимальное давление на основание действует только под краем фундамента, при подборе размеров подошвы фундамента давление допускается принимать на 20% больше расчетного сопротивления грунта, т.е. Если условия проверки краевых давлений не выполняется: 1. Увеличиваем площадь подошвы фундамента и пересчитываем расчетное сопротивление грунта, проводим проверку снова; 2. Увеличиваем глубину заложения фундамента (опирание на более сильный слой грунта, если он находится рядом) 1.4.г. Проверка давления на слабый подстилающий слой грунта (проверка подстилающего слоя). При наличии в сжимаемой толщи слабых грунтов необходимо проверить давление на них, чтобы убедиться в возможности применения при расчете основания (осадок) теории линейной деформативности грунтов. Ro, êÏ à p ñë. Rz Z Рис.15 – Проверка слабоподстилающего слоя Необходимо, чтобы полное давление на кровлю подстилающего слоя не превышало его расчетного сопротивления, т.е. Gzp + Gzg ≤ R z , где Gzp и Gzg - дополнительное и природное вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента; R z – расчетное сопротивление грунта на глубине кровли слабого слоя, определяют по ф.5.7 СП 22.13330.2011, как для условного фундамента шириной bz и глубиной заложения dz. Все коэффициенты в формуле (γc1, γc2, k, Mq, Mg и т.д.) находят применительно к слою слабого грунта. N + Gf + Gg 2z l Gzg = γ ⋅ (d + z) ; Gzp = α ⋅ Р ; α =f ( ; ) ; P = A b b 13 Рис. 16. - Расчетная схема к проверке давления на подстилающий слой слабого грунта. Ширину условного фундамента bz назначают с учетом рассеивания напряжений в пределах слоя толщиной z. Если принять. Что давление Gzp действует по подошве условного фундамента АВ, то площадь его подошвы будет составлять: NII NII , где NII – вертикальная нагрузка на уровне обреза Gzp = ⇒ Az = Az Gzp фундамента; bz = Az a= - для квадратного фундамента; bz= Аz + a 2 − a ; (l − b) , где l и b – размеры подошвы проектируемого фундамента. 2 Если проверка подстилающего слоя не выполняется, необходимо увеличить размер подошвы фундамента. 14