Несущая способность основания

Лекция 3 Несущая способность основания. Из прошлого занятия мы помним, что несущая способность основания (отнесенная к единице площади подошвы фундамента) зависит не только от физических и механических характеристик грунта, но также от таких факторов, как форма и размеры подошвы фундамента и величина заглубления его в грунт. Теперь рассмотрим влияние этих факторов на несущую способность фундамента и процессы, происходящие в грунте при увеличении нагрузки на фундамент, вплоть до наступления предельного состояния основания, на примере. Характер деформации основания, в процессе возрастания действующей на него нагрузки меняется. Принято различать три фазы деформации основания. В начальной первой фазе, называемой фазой уплотнения грунта, осадки основания обуславливаются уменьшением размеров пор грунта, расположенного под фундаментом, т.е. уплотнением этого грунта. Эта фаза характерна тем, что касательные напряжения для всех площадок, проходящих через любые точки основания, удовлетворяют условию прочности и, следовательно, в основании не возникают сдвиги. При давлении, не превышающем некоторой определенной для каждого вида грунта величины, деформации грунта в этой фазе со временем затухают и прекращаются. Рис. 1 Если взглянуть на рис. 1 на котором приведена зависимость осадки от действующей нагрузки, первая фаза находится на участке ОА. Т.е. при небольшой внешней нагрузке, не превышающей некоторого предела, происходит уплотнение грунта, и его частицы перемещаются в основном вниз. Рис. 2 При дальнейшем увеличении нагрузки на участке АБ, под краями штампа появляются зоны пластических деформаций (1) рис. 2 (б). Кривизной АБ вследствие незначительности деформаций пренебрегают и считают, что грунт деформируется линейно, т.е. АБ заменяют прямой линией, эта зона называется фазой уплотнения и локальных сдвигов. При увеличении нагрузки на участке БВ зоны пластических деформаций развиваются в стороны, вовлекая в пластическую деформацию все большие объемы грунта под краями штампа (рис. 2. В). Это фаза по-другому называется фазой развития значительных сдвигов и уплотнения грунта по сторонам от зон пластических деформаций, при этом кривизна БВ возрастает. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к формированию под подошвой штампа упругого жесткого ядра (2), которое перемещаясь вместе со штампом, расклинивает грунт, способствуя еще большему развитию областей сдвига, что вызывает резкую осадку штампа с выпором грунта в стороны и вверх (рис. 2, г), (рис. 1) кривая на у-ке В-Г приближающаяся к вертикали, называется фазой выпора (происходит потеря устойчивости основания). Расчет оснований по деформациям. Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых общих и неравномерных осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.). При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием. Примечание - При проектировании сооружений, расположенных вблизи окружающей застройки, необходимо учитывать дополнительные деформации оснований сооружений окружающей застройки от воздействия, проектируемых или реконструируемых сооружений (см. раздел 9 СП 22.13330.2016). вида: Деформации основания в зависимости от причин возникновения подразделяют на два - первый – деформации от внешней нагрузки на основание (осадки, просадки, горизонтальные перемещения) - второй – деформации, не связанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных перемещений поверхности основания (оседания, просадки грунтов от собственного веса, подъемы и т.д.) Совместная деформация основания и сооружения может характеризоваться: - осадкой (подъемом) основания фундамента 𝑠 - средней осадкой основания фундамента 𝑠̅ - относительной разностью осадок (подъемов) основания двух фундаментов ∆𝑠/𝐿 (L – расстояние между фундаментами) - креном (фундамента) сооружения 𝑖 - относительным прогибом или выгибом 𝑓/𝐿 (L – длина однозначно изгибаемого участка сооружения) - кривизной изгибаемого участка сооружения - относительным углом закручивания сооружения - горизонтальным перемещением фундамента (сооружения) Расчет оснований по деформациям производят исходя из условия: 𝑆≤𝑆 где S – осадка основания фундамента (совместная деформация основания и сооружения); Su – предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения). Расчет осадки и крена фундамента. Согласно п. 5.6.6 СП 22.13330.2016 - расчетная схема основания, применяемая для определения совместной деформации основания и сооружения, должна выбираться в соответствии с 5.1.6 и 5.1.11а (коэф. постели). 5.1.6 Проектные решения оснований и фундаментов должны обеспечивать невозможность наступления какого-либо предельного состояния. Для этого при выполнении расчетов, испытаний и проверок следует учитывать частные коэффициенты надежности, учитывающие возможные неблагоприятные отклонения параметров условий строительства и эксплуатации, а также необходимость повышения надежности для отдельных видов строительных объектов. Расчет деформаций основания фундамента при среднем давлении под подошвой фундамента р, не превышающем расчетное сопротивление грунта R (см. 5.6.7), следует выполнять, применяя расчетную схему в виде линейно деформируемого полупространства (см. 5.6.31) с условным ограничением глубины сжимаемой толщи (см. 5.6.41). При расчете деформаций основания фундаментов с использованием расчетных схем в виде «Линейно деформируемого полупространства», среднее давление под подошвой фундамента p не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по формуле 𝑅= 𝛾с ∙ 𝛾с 𝑀 𝑘 𝑏𝛾 + 𝑀 𝑑 𝛾 + 𝑀 − 1 𝑑 𝛾 + 𝑀 𝑐 𝑘 (1) Где: 𝛾с и 𝛾с - коэффициенты условий работы, табл. 5.4 СП 22; 𝑘 - коэффициент принимаемый равным 1,1; 𝑀 , 𝑀 , 𝑀 – коэффициенты, принимаемые табл. 5.5, СП 22; 𝑘 - коэффициент, принимаемый равным 1 при 𝑏 < 10 м; 𝑘 = + 0,2 при 𝑏 ≥ 10м (𝑧 =8м); b – ширина подошвы фундамента, м; 𝛾 - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов залегающих ниже подошвы фундамента кН/м3; 𝛾 - то же, для грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м3; 𝑐 - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа; 𝑑 - глубина заложения фундаментов, м, бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле (2). При плитных фундаментах за d1 принимают наименьшую глубину подошвы плиты до уровня планировки; 𝑑 - глубина подвала, расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом глубиной свыше 2 м принимают равным 2). 𝑑 = ℎ + ℎ 𝛾 /𝛾 Где: ℎ – толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; (2) ℎ - толщина конструкции пола подвала; 𝛾 - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3. Значение R вычисляют на глубине заложения фундамента, определяемой от уровня планировки срезкой или подсыпкой; в последнем случае в проекте должно быть оговорено требование об устройстве насыпи до приложения полной нагрузки на фундаменты. Определение осадки основания фундамента Следует сказать, что осадки фундаментов, возникающие вследствие деформации грунтов, проявляются лишь тогда, когда нагрузка от фундамента «p» превышает первоначальное природное давление на основание q=γh, определяемое весом вышележащего слоя грунта. Метод послойного суммирования осадок позволяет учесть неоднородность основания, выражающуюся в изменении модуля деформации по глубине. Его можно применять для расчета осадок фундаментов имеющих различную форму в плане. Этим методом также можно учитывать взаимное влияние фундаментов на их осадки и влияние различного рода боковых пригрузок. Последовательность расчета следующая: - для горизонтальных площадок, лежащих на вертикальной оси, проходящей через центр подошвы фундамента, вычисляют нормальные сжимающие напряжения от веса грунта; - после, строят эпюры природного давления и дополнительного давления от сооружения, с учетом толщи грунта влияющей на осадку (сжимаемая толща); - сжимаемую толщу делят на участки. Толщину слоев выбирают с учетом очертания эпюры сжимающих напряжений. Она не должна превышать 0,4b. При делении сжимаемой толщи на элементы их границы необходимо совмещать с границами естественных слоев грунта; - вычисляют осадку. Осадку основания фундамента s, см, с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяют методом послойного суммирования по формуле 𝑆=𝛽 𝜎 , −𝜎 𝐸 , ℎ +𝛽 𝜎 , 𝐸 ∙ℎ , Где 𝛽 - безразмерный коэффициент равный, 0,8; 𝜎 , – среднее значение вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки в iм слое грунта, кПа; ℎ - толщина i-го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента; 𝐸 - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа; 𝜎 , - вертикальное напряжение в i-м слое грунта, от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта, кПа; 𝐸 , - модуль деформации грунта по ветви вторичного нагружения, кПа; n – число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания. При расчете осадки фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле (3) по определению 𝑆 не учитывать второе слагаемое. При этом распределение вертикальных напряжений по глубине основания принимают в соответствии со схемой: Вертикальные напряжения от внешней нагрузки зависят от размеров, формы и глубины заложения фундамента, распределения давления на грунт по его подошве и свойств грунтов основания. Для прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов значения 𝜎 , кПа, на глубине z от подошвы фундамента по вертикали проходящей через центр подошвы, определяют по формуле 𝜎 = 𝛼𝑝 Где 𝛼 – коэффициент, принимаемый по таблице 5.8 СП 22 в зависимости от относительной глубины 𝜉, равной 2𝑧/𝑏 ; 𝑝 - среднее давление под подошвой фундамента, кПа. p =p −σ , Где p - среднее фактическое давление по подошве фундамента; σ напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента , - вертикальное Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента 𝜎 кПа, на глубине z от подошвы прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов определяют по формуле 𝜎 = 𝛼𝜎 , Где 𝛼 – коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от относительной глубины 𝜉, равной 2𝑧/𝑏; 𝜎 , – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента, кПа (при планировке срезкой 𝜎 , = 𝛾 𝑑, при отсутствии планировки и планировке подсыпкой 𝜎 , = 𝛾 𝑑 , где 𝛾 - удельный вес грунта, кН/м3, расположенного выше подошвы; 𝑑 и 𝑑 м. При этом при определении коэффициента 𝛼 , для расчета 𝜎 используются не размеры фундамента в плане, а котлована. Ели среднее давление под подошвой фундамента 𝑝 ≤ 𝜎 𝑆 определяют по формуле , , осадку основания фундамента 𝑆=𝛽 𝜎 , 𝐸 ∙ℎ , Вертикальное эффективное напряжение от собственного веса грунта 𝜎 , кПа, на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле 𝜎 =𝛾𝑑 + 𝛾ℎ Где 𝛾 - средний удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м3; 𝑑 – расстояние от подошвы фундамента до отметки природного рельефа. Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине 𝑧 = 𝐻 где выполняется условие 𝜎 = 0,2𝜎 . При этом глубина сжимаемой толщи не должна быть меньше 𝐻 , равной b/2 при 𝑏 ≤ 10 м, (4+0,1b) при 10 < 𝑏 < 60 м и 10 м при 𝑏 > 60 м. Если в пределах сжимаемой толщи, найденной по указанным выше условиям, залегает слой грунта с модулем деформации 𝐸 > 100 МПа, сжимаемую толщу допускается принимать до кровли этого грунта. Ели найденная по указанным выше условиям нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации 𝐸 ≤ 7 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины 𝑧 = 𝐻 , то этот слой включают в сжимаемую толщу, а за 𝐻 принимают минимальное из значений, соответствующих подошве слоя или глубине где выполняется условие 𝜎 = 0,2𝜎 .