Основания и фундаменты

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ Ст. преподаватель: Николаева Алина Андреевна 1 Порядок работы • Лекции (4 ак.ч.) • Практические занятия (4 ак.ч.) • Зачет Рекомендуемая литература: • Далматов «Механика грунтов, основания и фундаменты» Каналы связи: • Личные сообщения MS Teams • [email protected] На данном слайде представлен порядок работы в этом семестре. У нас предусмотрено 2 пары лекции, которые, к сожалению, не сложились в должном формате. А также предусмотрено 2 пары практических занятий. На одной из следующих сессий будет проводится зачет без оценки. Для сдачи будет необходимо выполнить тест и решить 2 типовых задачи, которые будут разбираться на практических занятиях. Для полноценного освоения курса я рекомендую дополнительно изучить учебник Далматова. 2 Порядок освоения дисциплин Механика грунтов (2 курс) Инженерная геология (2 курс) Основания и фундаменты (3 курс) Проектирование фундаментов промышленных зданий (4 курс) Что касается места данной дисциплины в учебном плане, то она базируется на двух дисциплинах второго курса – Механика грунтов и Инженерная геология. На 4 курсе предусмотрена практически ориентированная дисциплина, на которой будет выполняться курсовой проект. Все то, что мы с вами разбирали на механике грунтов и основаниях и фундаментах являются основой для выполнения курсового проекта. 3 Механика грунтов Инженерная геология Геотехника Основания и фундаменты Механика грунтов Теоретическая дисциплина Математическое моделирование Основания и фундаменты Практическая дисциплина При строительстве мостов на устройство фундаментов затрачивают до 40% времени и труда и до 30% финансовых средств, а в сложных инженерногеологических условиях эти показатели еще выше. Повышение экономической эффективности фундаментостроения должно осуществляться в неразрывной связи с повышением качества работ, которое во многом предопределяет надежность и долговечность любых сооружений в целом. Особое внимание требуется уделять доброкачественному проектированию и выполнению подземных работ, поскольку из-за отсутствия надежных методов контроля за состоянием оснований и фундаментов в период эксплуатации сооружений не всегда удается своевременно принять необходимые меры по устранению последствий случайных дефектов. Такие дефекты, возникшие в результате допущенных ошибок при проектировании и не замеченные в период возведения фундаментов, в дальнейшем, спустя некоторое время, начинают проявляться в виде разного рода деформаций сооружений, затрудняющих или исключающих нормальную их эксплуатацию. Устранение дефектов, как правило, требует затрат, значительно превышающих первоначальные, а для мостов, кроме того, и длительных перерывов или ограничений движения обращающихся нагрузок. Чтобы проектировать и строить фундаменты не только экономично, но, главное, 4 надежно, необходимо ясно представлять, как передаются на грунты нагрузки от сооружений, особенности поведения грунтов под действием на них сжимающих, выдергивающих и сдвигающих нагрузок, как изменяются свойства разных грунтов при действии на них воды, какие фундаменты и в каких грунтах следует применять, какими способами их возводить. Ответы на перечисленные и многие другие вопросы можно получить в результате изучения предмета «Основания и фундаменты». Для изучения предмета «Основания и фундаменты» необходимо знать основы инженерной геологии, механики грунтов и гидрогеологии. Инженерная геология изучает и оценивает влияние геологических факторов на работу проектируемых зданий и сооружений, а также возможные изменения этих факторов в результате нарушения природных условий при возведении и эксплуатации зданий и сооружений. Механика грунтов занимается изучением напряженнодеформированного состояния и физико-механических свойств грунтов оснований, разработкой методов расчета прочности и деформаций оснований, способов определения давления грунтов на ограждающие конструкции. Гидрогеология изучает подземные воды, содержащиеся в толще грунтов. 4 Основные положения Основанием называют толщу грунтов, на которых возводится сооружение и в которых возникают напряжения и деформации от передаваемых на них нагрузок. На рисунке представлен рисунок взаимодействия основания и фундамента. Нагрузка N с верхней части здания передается на фундамент, и дальше, через подошву фундамента на основание. Основанием называют толщу грунтов, на которых возводится сооружение и в которых возникают напряжения и деформации от передаваемых на них нагрузок. 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. Конструирование фундаментов (класс бетона, выбор арматуры, определение размеров отдельных его частей и т.п.) относится к курсу железобетонных конструкций. 5 Основные положения 1. Основание Основание (грунты) Искусственные Естественные Основание Однородное Неоднородное Слой грунта Несущий Подстилающий Все здания и сооружения опираются на поверхностные слои земли (глины, пески, скальные породы и др.), именуемые в строительной практике грунтами. Основания (грунты): 1) искусственные (предварительно уплотненные или укрепленные) – область промышленного и гражданского строительства 2) естественные (природного сложения) – мостовое строительство Основание: однородное (из одного грунта) и неоднородное (несколько слоёв) Слой грунта: несущий (на которой опирается фундамент) и подстилающий (нижележащий) Основания также подразделяются на: 1. Скальные - массивная горная порода, обладающая большой прочностью и малой сжимаемостью. 2. Грунтовые - раздробленная горная порода (минерально-дисперстное образование) – результат физического и химического выветривания массивных горных пород. Грунтовое основание обладает большой сжимаемость и малой прочностью, что необходимо учитывать при проектировании. 6 2. Фундамент – это часть здания, сооружения или опора, находящаяся ниже поверхности грунта (на суше) или ниже самого низкого (меженного) уровня воды в водотоке (водоеме) и предназначенную для передачи нагрузок на основание. Функции фундамента: - передача и распределение нагрузки - выравнивание осадки 7 • Массивные и немассивные фундаменты 1 — надфундаментная часть опоры; 2 — фундамент; 3 — поверхность грунта (дно водотока); 4 — уровень размыва; 5 — несущий пласт грунта; 6 — условный контур основания; 7 — подошва фундамента; 8 — боковая грань фундамента; 9 — уступ; 10 — обрез фундамента; d — глубина заложения фундамента; А — высота фундамента; d1 — расчетное заглубление фундамента в грунт 1 — надфундаментная часть опоры; 2 — фундамент; 3 — ростверк; 4 — тампонажный слой бетона; 5 — несущие элементы; 6—поверхность грунта (дно водотока); 7 — уровень размыва; 8 — несущий пласт грунта; 9 — подошва тампонажного слоя; 10—боковая поверхность ростверка; 11 — обрез фундамента Фундамент опоры моста из одного несущего элемента Фундамент из куста несущих элементов (схематично зарисовать и отметить основные части) Массивные – из одного несущего элемента Немассивные – из группы (куста) несущих элементов, объединенных в единую конструкцию. Независимо от типа фундаментов и особенностей их конструкции принято называть основные части: 1. обрезом фундамента поверхность его соприкасания с надфундаментной частью здания или сооружения; 2. подошвой фундамента нижнюю поверхность его соприкасания с грунтом основания; 3. высотой фундамента расстояние от его подошвы или нижнего конца (низа) несущих элементов до обреза; 4. глубиной заложения фундамента расстояние от поверхности грунта или уровня воды в водоеме до подошвы фундамента или низа несущих элементов. Под воздействием на фундамент вертикальных нагрузок, равномерно 8 сжимающих грунты основания, происходят перемещения зданий и сооружений, называемые осадкой. При действии на фундаменты неравномерных сжимающих нагрузок наблюдаются наклоны, именуемые кренами. Воздействие больших горизонтальных нагрузок иногда приводит к смещениям, называемым сдвигами. Для предотвращения возможности появления недопустимых осадок, кренов или сдвигов зданий и сооружений (исходя из условия обеспечения их нормальной эксплуатации) фундаменты закладывают на некоторой глубине от дневной поверхности, чтобы передать расчетные нагрузки на более прочные грунты. В зависимости от особенностей передачи нагрузки на грунты основания фундаменты подразделяют на два типа: мелкого и глубокого заложения. Характерной особенностью фундаментов мелкого заложения (см. рис. В. 1), иногда неправильно называемых «фундаментами на естественном основании», является передача на основание вертикальных, горизонтальных и изгибающих (от моментов) нагрузок от надфундаментной части сооружения только через их подошву. Их боковая поверхность в работе не участвует из-за невозможности, как правило, обеспечить засыпку пазух между боковыми поверхностями фундаментов и котлованов грунтом с плотностью, равной или выше природной. В отличие от фундаментов мелкого заложения нагрузки, воспринимаемые фундаментами глубокого заложения (см. рис. В. 2), передаются на грунт не только через их подошву или торец несущих элементов в виде свай, оболочек, столбов либо опускных колодцев, но и через их боковую поверхность вследствие проявления сил трения, сопротивляющихся вдавливанию (вертикальному смещению) фундаментов в грунт, и сил бокового отпора грунта, сопротивляющихся смещению (сдвигу или повороту) фундаментов. Благодаря тому, что в работе фундаментов глубокого заложения кроме подошвы участвует их боковая поверхность, повышается степень использования прочностных свойств материалов, а следовательно, сокращается их расход. Для устройства фундаментов глубокого заложения в равных с фундаментами мелкого заложения условиях требуется, в зависимости от конструкции фундаментов и сложности местных особенностей строительства, в 2—4 раза меньше бетона. При этом объем земляных работ сокращается в 5—10 раз, затраты труда и сроки строительства фундаментов уменьшаются в 1,5—3 раза. Кроме существенной экономической эффективности фундаменты глубокого заложения обладают более высокой надежностью. Водопропускные трубы сооружают, как правило, с фундаментами мелкого заложения и редко с фундаментами из свай разных типов. Опоры мостов 8 традиционной конструкции, имеющие надфундаментную часть, возводят с фундаментами как мелкого, так и глубокого заложения. Применяемые для мостов, водопропускных труб, зданий и других сооружений фундаменты мелкого и глубокого заложения подразделяют по конструктивным особенностям. Фундаменты мелкого заложения можно разделить на массивные, сплошные в виде плиты, ленточные, стоечные, комбинированные. Фундаменты глубокого заложения подразделяют по виду несущих элементов: из свай, оболочек, столбов или опускных колодцев. В свою очередь фундаменты перечисленных видов могут быть монолитными, полностью возводимыми на месте постройки, и сборными, монтируемыми из заранее изготовленных элементов. Промежуточное положение занимают сборно-монолитные фундаменты, состоящие из сборных элементов, омоноличиваемых бетоном, например сваи с монолитной плитой, фундаменты из сборных железобетонных оболочек, заполняемых бетоном, и т. п. 8 Фундаменты Мелкого заложения Передача на основание вертикальных, горизонтальных и изгибающих (от моментов) нагрузок от надфундаментной части сооружения или опоры только через их подошву Глубокого заложения Нагрузки, воспринимаемые этим фундаментом, и передаются на грунт не только через подошву и торцы элементов, но и через боковую поверхность Фундаменты мелкого заложения Фундаменты мелкого заложения сооружают в котлованах, отрытых на проектную глубину. В зависимости от конструктивных особенностей фундаменты мелкого заложения подразделяют на ленточные и плитные. В свою очередь фундаменты указанных типов могут быть монолитными, изготовляемыми полностью на месте постройки (в котловане), и сборными, монтируемыми из бетонных или железобетонных блоков, изготовленных на заводе или полигоне, и устанавливаемыми кранами в готовом виде на место. Промежуточное положение занимают сборномонолитные конструкции, состоящие из сборных элементов, омоноличиваемых на месте постройки бетоном. Фундаменты каждого типа имеют свою область рационального применения. ФМЗ возводятся в открытых котлованах или в специальных выемках, устраиваемых в грунтовых основаниях. К ФМЗ относятся фундаменты, имеющие отношение высоты к ширине подошвы, не превышающее 4, и передающие нагрузку на грунты основания преимущественно через подошву. 9 Конструкции фундаментов мелкого заложения подразделяются на: 1. Отдельные фундаменты 2. Ленточные фундаменты 3. Сплошные фундаменты 4. Массивные фундаменты 9 Типы фундаментов • Отдельные под колонны (схематично зарисовать) Отдельные под колонны – из одного блока или нескольких (сборные), монолитные под ж/б колонну или металлическую колонну Могут выполняться в монолитном или сборном варианте. Представляют собой кирпичные, каменные, бетонные или железобетонные столбы с уширенной опорной частью. 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 башмака колоннфы к анкерным болтом, забетонированным. Размеры в плане подошвы, ступеней и подколонника монолитных фундаментов принимаются кратным 300 мм, а высота ступеней - 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 В тех случаях, когда это возможно, сборный фундамент устраивают из одного элемента или переходят на монолитный вариант фундамента. С целью сокращения трудоемкости работ по 10 устройству фундаментов и уменьшению их стоимости создаются новые типы фундаментов, которые в соответствующих грунтовых условиях оказываются более экономичными по сравнению с традиционными типами 10 Угол развития фундамента Конструкция жесткого фундамента с наклонными боковыми гранями уширяющийся к подошве уступами α –угол жесткости или угол развития фундамента (схематично зарисовать) Фундаменты имеют наклонную боковую грань или, что чаще, уширяются к подошве уступами, размеры которых определяются углом жесткости, т.е. предельным углом наклона, при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения Альфа – угол развития фундаментаф Если он меньше или равен от 26 до 40 (альфа Нормативный), то это жесткий фундамент Если больше, гибкий. Предельное значение угла а, равное 30°, установлено для фундаментов опор мостов СП. Для фундаментов промышленных и гражданских сооружений и зданий предельное значение угла а может составлять от 26 до 40° в зависимости от материала фундамента. В жестких фундаментах от изгиба возникают небольшие растягивающие напряжения, поэтому их можно выполнять из материалов, плохо сопротивляющихся изгибу, например из бутовой кладки, бетона и т. д. 11 Жесткие фундаменты на прочность обычно не рассчитывают. Гибкие фундаменты рассчитывают на прочность и выполняют из железобетона, хорошо сопротивляющегося изгибу. По высоте фундамента устраивают уступы (выступы). В фундаментах опор мостов их ширина в каждую сторону может достигать 1 м, а высота колеблется от 1 до 2 м. Наличие этих уступов позволяет при несколько смещенном против проекта расположении фундамента в плане обеспечить проектное расположение сооружения. 11 • Ленточные фундаменты 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. Ленточный фундамент под колонны. 2 – ленточный фундамент; 3 - колонны (схематично зарисовать ленточный фундамент) Ленточные фундаменты под колонны состоят из отдельных лент или перекрестных. Этот фундамент выравнивает неравномерность осадок. Ленточный фундамент под стойки путепровода Ленточный фундамент под стену. Такой фундамент чаще выполняется в сборном варианте и в двух под вариациях: с непрерывной подушкой и с прерывистой. Под стены также устраивают либо из сборных блоков, либо монолитными. Чтобы уменьшить объем железобетона в теле фундамента, иногда применяют ребристые железобетонные блоки или плиты с угловыми вырезами . Фундаментные стеновые блоки (ФБС) изготовляют из тяжелого бетона, керамзитобетона или плотного силикатного бетона. Ширина блоков принимают равной (или меньше) толщине надземных стен, но не менее 30 см. Надземные стены не должны выступать над фундаментными более чем на 15 см. Высота типовых стеновых блоков составляет 280 или 580 мм (20 на цементный шов). Для повышения жесткости сооружения (выравнивания осадок, антисейсмические мероприятия и т.п.) сборные фундаменты усиливают 12 армированными швами или железобетонными поясами, устроенных поверх фундаментных плит или последнего ряда стеновых блоков по всему периметру здания на одном уровне. Под колонны 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. 12 Ленточные сборные фундаменты из блоков; а — непрерывный, б — прерывистый; 1 — отмостка, 2 — стеновой фундаментный блок, 3 — фундаментный блокподушка, 4 — песчаная подготовка. 5 — участок, бетонируемый на месте, 6 — железобетонный пояс 13 • Массивный фундамент Массивный фундамент; 1 — фундамент; 4 — тело опоры (схематично зарисовать) Массивный фундамент под тяжелое, но не большое в плане сооружение (доменная печь, опоры моста) Массивный когда его масса соизмерима с массой оборудования и все три размера (длина,ширина и высота) одного порядка. 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. 14 • Сплошной фундамент со сборными стаканами сборный сплошной фундамент с монолитными стаканами монолитный сплошной фундамент ребристая плита (схематично зарисовать) Сплошной фундамент представляет собой гибкую плиту: со сборными колоннами, с монолитными колоннами, ребристая плита. Применение сборных фундаментов в виде одного блока при больших размерах в плане затруднено из-за большого веса фундаментов, сложности их транспортировки и установки. Поэтому при больших размерах фундаментов их выполняют составными из сплошных плит Выполняются, как правило, из монолитного железобетона. По конструктивным особенностям различают: - Плитные (гладкие, ребристые); - Коробчатые. 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. 15 • Коробчатые фундаменты (зарисовать) Коробчатые фундаменты. Данный тип фундамента создает возможность создания подземного хозяйства. Здание МГУ основано на принципе «попловка» – т.е. когда вес сооружения равен весу вынутого грунта. 16 главное здание МГУ Здание МГУ хорошо вписывалось в пейзаж Ленинских гор, но возводить здесь первый высотный дом было не просто рискованно, а даже опасно. Строители издавна боялись реактивных ползучих грунтов, а строить предстояло именно на таких ненадежных грунтах. Изучив геологические и гидрологические условия, Никитин сумел проникнуть в причину коварства этих грунтов и взялся обуздать их. По мысли конструктора, удержать здание на ненадежных грунтах мог лишь жесткий нерасчлененный пласт мощной толщины, но и он не гарантировал здание от скольжения и распирания фундамента изнутри недр. Решение пришло легко и неожиданно. Никитин вспомнил, Что найденный в папирусных свитках, относящихся к первому веку до нашей эры, трактат римского архитектора Витрувия «Десять книг об архитектуре» содержит весьма любопытный практический совет: «Для фундаментов храмовых зданий надо копать на глубину, соответствующую объему возводимой постройки…» Но высотный храм науки – МГУ, высотою в центральной части в 183 метра, потребует невообразимого котлована. Есть ли в нем необходимость? И чем 17 вызвано такое категорическое требование? А если вспомнить, как земля сравнивает окопы и траншеи – рубцы и раны прошедшей войны, то можно в воображении землю уподобить воде, моментально выравнивающей свою поверхность. Тогда по закону Архимеда на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом… Значит, на ненадежных грунтах можно строить, остается лишь смирить реактивность, вспучиваемость грунтов. Фундамент должен быть как бы «плавающим» в земле на бетонных «понтонах» коробчатой формы. Сплоченные между собой с помощью электросварки бетонные короба и составят главную особенность этого фундамента, выравнивающего осадку мощного сооружения, нейтрализующего реактивность грунтов. По сей день здание МГУ остается единственным зданием большой протяженности, в котором нет температурных швов. Дело в том, что жесткий фундамент, заглубленный на 15 метров в глубину (грунта было вынуто ровно столько, сколько занимает полный объем здания), исключал жесткий каркас здания. Не фундамент, так само здание надо было разрезать температурными швами. Ведь если основание здания, заглубленное в землю, сохраняет относительно постоянную температуру, и колебания температуры происходят в фундаменте так медленно, что его тело сжимается и увеличивается без ущерба самому себе, то в каркасе резкие перепады температур способны разорвать самые жесткие узлы крепления. Поэтому строители «разрезают» здание. Но температурные швы снижают прочность постройки, лишают ее долговечности и удобства в эксплуатации. Швы удорожают и стоимость здания. Больше всего страдают от деформации нижние пояса высотных зданий, так как именно на них приходится тяжелый весовой пресс всей громады небоскреба. И тут Никитин нашел удивительный по смелости способ перенести давление с нижних этажей на верхние, ровно распределив его по всему каркасу МГУ. Для этой цели он предложил установить колонны большой свободной высоты, а промежуточные перекрытия нижнего яруса подвесить к этим колоннам так, чтобы подвесные перекрытия не мешали колоннам свободно деформироваться. Никитин Николай Васильевич 1907-1973 Советский ученый в области железобетонных и металлических конструкций. Участвовал в создании ряда уникальных зданий и сооружений: МГУ, Дворца культуры и науки в Варшаве, Центрального стадиона им. В. И. Ленина в Москве, Мемориала В.И. Ленина в Ульяновске, Мемориала Родина-мать в Волгограде и др. Автор проекта 17 Останкинской телебашни в Москве… (БСЭ, т.17). 17 Фундамент небоскреба «Лахта» Башня Лахта центра опирается на коробчатый фундамент, в конструкции которого среди прочих "слоев" - три гигантские бетонные плиты. Для небоскреба высотой 462 метра и весом 670 000 тонн потребовалось разработать конструкцию, которая должна обеспечить надежность и устойчивость здания. Такой конструкцией стал фундамент, опирающийся на 264 сваи диаметром 2 метра и глубиной погружения до 82 метров. Нижняя фундаментная плита имеет толщину 3,6 метра. Ее заливка стала поводом для регистрации нового мирового рекорда в Книге рекордов Гиннеса. В общей сложности, в коробчатом фундаменте небоскреба 48 тысяч кубометров бетонной смеси. Для сравнения: на всю надземную часть небоскреба потребуется 47 тысяч кубометров. Центром конструкции фундамента является ядро с внутренним диаметром 24,5 метра. Это вертикальная основа всего здания. Для дополнительной жесткости фундамента построены радиальные стены высотой 11 метров и толщиной 2,5 метра. Между нижней и верхней плитами фундамента разместились два подземных этажа, на которых будут размещены вспомогательные помещения для 18 инженерных систем и серверных. 18 • Фундамент в вытромбованном котловане Фундаменты в вытрамбованных котлованах: а - фундамент мелкого заложения без уширения; б удлиненный фундамент с уширенной частью (зарисовать) Применяют на просадочных грунтах В связи с тем, что при трамбовании на рядом расположенные здания и сооружения могут передаваться динамические нагрузки, ограничиваются минимально допустимые расстояния: до сооружений не имеющих трещин в стенах - не менее 10 м, до сооружений с трещинами в стенах, а также до инженерных коммуникаций из чугунных, керамических, асбестовых труб - не менее 15 м. Если масса трамбовок менее трех тонн, эти расстояния могут быть уменьшены в полтора раза. Фундаменты в вытрамбованных котлованах проектируются монолитными с учетом бетонирования их враспор со стенками котлована. В ходе вытрамбовывания происходит одновременно устройство котлована и уплотнение грунтов. В основании фундаментов образуется уплотненная зона с что приводит к устранению просадки в этой зоне. 19 Материалы для изготовления ФМЗ • железобетон • бетон • бутобетон • каменные материалы (кирпич, бут, пиленные блоки из природных камней) • - в отдельных случаях (временные здания) допускается применение дерева или металла. Железобетон и бетон – основные конструкционные материалы для фундаментов. Бутовый камень, кирпич и каменные блоки используются для устройства фундаментов, работающих на сжатие и для возведения стен подвалов. Бутобетон и бетон целесообразно применять при устройстве фундаментов, возводимых в отрываемых полостях или траншеях при их бетонировании в распор со стенками. Железобетон и бетон можно применять при устройстве всех видов монолитных и сборных фундаментов в различных инженерно-геологических условиях, т.к. они обладают достаточной морозостойкостью, прочностью на сжатие (а для железобетона и на растяжение → действие моментов). 20 Свайные фундаменты Сваей называют погруженный в готовом виде или изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания. (схематично зарисовать) В тех случаях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, которые не могут служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения, возникает необходимость передачи нагрузки на более плотные слои, расположенные на глубине. В подобных ситуациях чаще всего прибегают к устройству свайного фундамента. Сваей называют погруженный в готовом виде или изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания. Сваи могут быть прямые и наклонные Отдельные сваи или группы свай, объединенные поверх распределительной плитой или балкой, образуют свайный фундамент. Распределительные плиты или балки, объединяющие головы свай, выполняются, как правило, из железобетона и называются ростверками. Ростверк воспринимает, распределяет и передает на сваи нагрузку от 21 расположенного выше сооружения. Если ростверк заглублен в грунт или его подошва расположена непосредственно на поверхности грунта, то его называют низким ростверком, если подошва ростверка расположена выше поверхности грунта – это высокий свайный ростверк. Наиболее часто применяют низкий ростверк, высокий ростверк устраивают в опорах мостов, набережных, пирсов и т.п. 21 По восприятию нагрузки сваи подразделяются на: Сваи-стойки Несущая способность: Висячие сваи Несущая способность: (схематично зарисовать) Свая, находящаяся в грунте, может передавать нагрузку от сооружения либо через нижний конец (пята), либо совместно с боковой поверхностью сваи за счет трения последней об грунт. В зависимости от этого, по характеру передачи нагрузки на грунт сваи подразделяются на а) сваи-стойки б) висячие сваи (сваи трения) К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным наполнителем, глины твердой консистенции). Такие сваи практически всю нагрузку передают через нижний конец, т.к. при их малых вертикальных перемещениях не возникают условия для возникновения сил трения на ее боковой поверхности. Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде, ее несущая 22 способность определяется или прочностью материала сваи, или сопротивлением грунта под ее нижним концом: К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольной силы (N) свая получает перемещение (дает осадку), достаточное для возникновения сил трения между боковой поверхностью сваи и грунтом. В результате нагрузка на основание передается как боковой поверхностью, так и нижним концом сваи. Несущая способность такой сваи определяется суммой сопротивления сил трения по ее боковой поверхности и грунта под острием: 22 Классификация свай • 1. По условиям изготовления • 2. По расположению свай в плане Схемы одиночной сваи и сваи-колонны Схема максимальных допустимых горизонтальных и вертикальных отклонений при погружении одиночной сваи (конспект классификации) Классификация: 1. По условиям изготовления сваи делятся на две группы: - сваи, изготовляемые заранее на заводах или полигоне (предварительно изготовляемые) и затем погружаемые в грунт; - сваи, изготовляемые на месте, в грунте. 2. По расположению свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов: - одиночные сваи применяют под легкие сооружения в качестве опор (теплицы, склады), когда несущей способности одной сваи достаточно для передачи нагрузки на грунт. Сложность установки свай необходимо точно забить (погрузить), отклонение от оси в плане у одиночных свай ±5 см, от вертикальной оси не более 5º. 23 Классификация свай Виды свайных фундаментов: а – свайный куст; б – ленточный; в – сплошное свайное поле - группы свай (свайный куст), устраивают под колонны или отдельные опоры конструкций, передающие значительные вертикальные нагрузки. - ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий и другие протяженные конструкции. Сваи в таком фундаменте располагаются в один или несколько слоев. - сплошные свайные поля устраивают под тяжелые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане. Сваи располагаются в определенном порядке под всем сооружением . 24 3. Классификация свай по материалам • - деревянные • - стальные Поперечные сечения стальных свай • - железобетонные Сечения железобетонных свай: а – квадратной; б – квадратной с круглой полостью; в – полое цилиндрическое сечение; г – прямоугольной; д – тавровой; е – двутавровой; ж – швеллерной В зависимости от материала предварительно изготовленные сваи подразделяются на: - деревянные (условия эксплуатации – ниже уровня подземных вод). Простейшая деревянная свая представляет собой бревно с заостренным нижним концом. На верхний конец бревна надевают бугель (стальное кольцо), который защищает сваю от размочаливания оголовка во время забивки. На заостренном конце при погружении сваи в грунты с твердыми включениями закрепляют стальной башмак. Достоинства этого вида свай – простота изготовления и небольшой вес. Недостатки – малая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты, опасность гниения в условиях переменной влажности. Деревянные сваи имеют ограниченное применение - стальные изготавливают из стандартных стальных труб d=0,2…0,8 м, используют также двутавровые балки, швеллеры и другие прокатные профили. Если после погружения в грунт стальная трубчатая свая заполняется бетоном, ее называют трубобетонной. Достоинство этого вида свай – возможность 25 наращивания сваркой по мере погружения в грунт. Недостатки – подверженность коррозии (для защиты поверхность труб покрывают битумом или эпоксидными смолами). Стальные сваи рекомендуется применять в сложных для забивки грунтовых условиях (включения валунов, гальки и т.п.), часть их применяют в качестве ограждения котлованов. 25 Железобетонные сваи Железобетонные сваи различного профиля: а – призматические; б – цилиндрические; в – пирамидальные; г – трапецеидальные; д – ромбовидные; е – с уширенной пятой (булавовидные) Конструкция железобетонных свай: а – призматическая с поперечным армированием ствола; б – то же, без поперечного армирования ствола; в – то же, с круглой полостью; г – полая круглая; 1 – строповочная петля; 2 – арматурные сетки головы; 3 – продольная арматура; 4 – спираль острия; 5 – поперечная спиральная арматура - железобетонные сваи (получили наибольшее распространение в практике строительства). Их подразделяют: - по форме поперечного сечения – (а, б, в – типовые) - по форме продольного сечения - по способу армирования на сваи: 1) с ненапрягаемой арматурой и с предварительно напряженной продольной арматурой 2) с поперечным армированием и без него по конструктивным особенностям – на сваи цельные и составные - комбинированные сваи – составные по длине из двух различных материалов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая помещается ниже уровня подземных вод, с бетонной или железобетонной частью. 26 4. Классификация свай по способу погружения в грунт Способы погружения свай: а – забивка; б – вибропогружение; в – задавливание; г – завинчивание; д – погружение в лидер (в очень плотных грунтах, промерзших грунтах); 1 – молот; 2 – металлический оголовок; 3 – деревянная или резиновая прокладка(для смягчения удара) Забивные сваи При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесчаные грунты для повышения производительности забивки осуществляется подмыв. За счет подачи воды (под большим напором) под нижний конец сваи, грунт размывается, что значительно уменьшает сопротивление погружению. Вибропогружение сваи наиболее эффективно при насыщенных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создаваемые вибратором, передаются сваей грунту, который разжижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения по боковой поверхности и она легко погружается в грунт. После прекращения вибрирования структура грунта быстро восстанавливается и трение по боковой поверхности сваи увеличивается. Вдавливание свай осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать забивку или вибропогружение (вблизи существующих зданий), также применяется при усилении существующих фундаментов. 27 Ввинчивание свай, снабженных на конце винтовыми лопастями (винтовые сваи), осуществляется особыми механизмами, называемыми кабестанами. 27 Сваи, изготовляемые в грунте Сваи без оболочки - Буронабивные - Буроинъекционные Сваи с извлекаемой оболочкой Сваи с не извлекаемой оболочкой Такие сваи изготавливают из бетона, железобетона (с армокаркасом) или из цементно-песчаного раствора. По способу изготовления подразделяются на - сваи без оболочки; - сваи с оболочкой, извлекаемой из грунта; сваи с неизвлекаемой оболочкой. Без оболочки Применяют в связных сухих и маловлажных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин. После выполнения буровых работ в забой скважины через бетонолитную трубу подается бетонная смесь, которая вытесняет раствор глины. Набивную сваю, скважина которой получена бурением, принято называть буронабивной. Скважину, помимо бурения, можно получить и другими способами: - пробить инвентарным сердечником, трубой с закрытым нижним концом; - вытрамбовать специальной трамбовкой; 28 - взрывом гирлянды зарядов взрывчатого вещества в лидерной скважине. Такой способ формирования скважин приводит к значительному уплотнению грунта основания, что повышает несущую способность изготавливаемых свай. Разновидностью буронабивных свай являются буроинъекционные сваи, которые устраивают путем заполнения вертикальных или наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается очень неровная поверхность, обеспечивая хорошее сцепление свай с окружающим грунтом Используются буроинъекционные сваи для усиления фундаментов существующих зданий, в качестве анкерных свай при испытании свай статической нагрузкой. Сваи с извлекаемой оболочкой Можно применять практически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсадные трубы защищают стенки пройденной скважины от обрушения. Простейшим видом свай с извлекаемой оболочкой является свая, предложенная еще в 1899 году инженером А. Э. Страусом. После появились разнообразные модификации подобных свай (св. Франки, Бенато и т.п.). Сваи с не извлекаемой оболочкой Применяют при отсутствии возможности качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой (в водонасыщенных глинистых грунтах текучей консистенции с прослойками песков и супесей), где под напором подземных вод ствол сваи на отдельных участках может быть разрушен во время твердения бетонной смеси. Это дорогие сваи и используются в основном в гидротехническом и транспортном строительстве. 28 Основы проектирования фундаментов Принципы проектирования: - Расчет по предельным состояниям - Совместная работа 3-х составляющих: конструкция, фундамент, основание - Комплексный подход к проектированию, который учитывает: инженерногеологическое строение, чувствительность конструкций к осадке, опыт строительных организаций. - Задачи проектирования: Выбор глубины заложения и тип фундамента Создание вариантов фундаментов, технико-экономическое сравнение и выбор оптимального варианта Расчет выбранного варианта фундамента Проектирование варианта производства работ 29 I предельное состояние • Расчеты: на сдвиг (плоский или глубокий), опрокидывание, морозное пучение, прочность материала конструкции Расчет ФМЗ начинают с предварительного выбора его конструкции и основных размеров (это глубина заложения фундамента и размер его подошвы). Далее производят расчет по двум предельным состояниям: I – Расчет по прочности (устойчивость) II – Расчет по деформациям, которые являются основным и обязательным для всех ФМЗ. Расчет по I группе предельных состояний является дополнительным и производится в одном из следующих случаев: - если сооружение расположено на откосе (склоне) или вблизи него; - - если на основание передаются значительные по величине горизонтальные нагрузки; - - если в основании залегают очень слабые грунты (или текучие и текучепластичные глинистые грунты и т.п.), обладающие малому сопротивлению сдвигу; - - если в основании залегают наоборот, очень прочные – скальные грунты. Установив окончательные размеры фундамента, удовлетворяющие двум группам предельного состояния, переходят к его конструированию (курс ЖБК). 30 (по 1 предельному состоянию (прочности и устойчивости) считают всегда, по 2 (по деформациям) НЕ производят расчет, если основание несжимаемое (напр. скальный грунт), поскольку деформаций в несжимаемом грунте не происходит, соответственно осадки не будет) 30 II предельное состояние • Недопущение излишних деформаций основания даже при сохранении несущей способности сооружения • Является определяющим в механике грунтов • Расчеты: - осадки, просадки, усадка, набухание, оседание, крен - Смещение верха конструкции - Расчет по трещиностойкости - Уплотнение от равномерной вертикальной нагрузки 1.Осадка – уплотнение грунтов оснований под воздействием увеличения нагрузки от строящихся и уже возведенных зданий и сооружений. Происходит в любых грунтах. 2. Просадка –уплотнение грунта при действии постоянной нагрузки р при замачивании или оттаивании. 3.Усадка –уменьшение объема грунта вследствие потери им влаги, высыхании. 4. Набухание– способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. 5. Крен фундамента деформация, происходящая в результате неравномерной осадки, просадк и, подъема, горизонтального воздействия и т. п. 31