ВВЕДЕНИЕ
Механика грунтов является одной из основных инженерных дисциплин
для студентов всех строительных специальностей. Ее значение можно сравнить
со значением курса «Сопротивления материалов». Механика грунтов является
одним из составных разделов геомеханики, в основу которой положены, с
одной стороны, законы теоретической механики – механики абсолютно
твердого тела, а с другой – законы строительной механики – упругости,
пластичности, ползучести. Но знание закономерностей теоретической механики
и строительной механики для механики грунтов как науки необходимо, но
недостаточно. К этим закономерностям нужно добавить зависимости,
вытекающие из особенностей работы грунтов под нагрузкой: сжимаемость,
водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурнофазовую деформируемость грунтов. Необходимо также знание основных
разделов высшей математики и физики, инженерной геологии, гидравлики и
других инженерных дисциплин.
В механике грунтов рассматриваются закономерности работы под
нагрузкой
рыхлых
(крупнообломочные,
горных
пород
песчаные,
коры
выветривания
пылевато-глинистые,
литосферы
органогенные
и
техногенные грунты), прочность связей которых во много раз меньше
прочности самих минеральных частиц. Грунты основания обычно обладают в
сотни
раз
меньшей
прочностью
и
иногда
в
тысячу
раз
большей
деформируемостью, чем материалы, из которых возводятся здания и
сооружения. Поэтому неправильная оценка физико-механических свойств
грунтов и их напластования может привести к большим деформациям
конструкций сооружения, а иногда и к их разрушению.
Одним из ярких классических примеров, демонстрирующих негативное
влияние неравномерной деформации грунтового основания, является развитие
крена и осадки знаменитой Пизанской «падающей башни» (Италия). Высота
башни составляет 54.5 м. Уже во время строительства были замечены большие
осадки и крен башни. К моменту окончания строительства (1273 г) отклонение
3
верха башни от вертикальной оси составило 2.1 м. а к настоящему времени
превысило 5.5 м. Основная причина неравномерных осадок – неоднородность
грунтов основания.
Основными задачами, решаемыми в процессе изучения курса, являются:
установление основных закономерностей механики грунтов и обобщение их в
виде законов; изучение распределения напряжений в грунтовом массиве при
действии
различных
нагружающих
факторов;
исследование
прочности
оснований и грунтовых массивов с использованием теории предельного
равновесия; изучение методов расчета осадок оснований фундаментов, в том
числе в условиях незавершенной консолидации грунтов, слагающих основание.
Целью
курсового
проектирования
закрепление
студентами
полученных
по
этой
дисциплине
теоретических
знаний.
является
Тематика
проектирования отвечает учебным задачам подготовки инженеров и увязана с
решением практических вопросов обработки результатов испытаний грунтов и
проектирования фундаментов мелкого заложения.
При
выполнении
курсового
проекта
студент
должен
научиться
пользоваться строительными нормами, ГОСТами, типовыми проектами,
каталогами изделий для выполнения фундаментов, а также учебной,
справочной и научной литературой; в проекте должны найти отражение
требования стандартов единой системы конструкторской документации
(ЕСКД).
4
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Краткий исторический обзор
До ХVI века «теории» строительства не существовало, строили полагаясь
на опыт. Размеры фундамента выбирали в зависимости от прочности грунтов
оснований. В конце XVIII века появилась первая теория, рассматривающая
сопротивление грунта сдвигу.
В 1773 г. француз Ш. Кулон – разработал способ расчета давления
сползающего грунта на подпорную стенку (строительство фортификационных
сооружений на юге Франции). Данное исследование Кулона (Франция, 1773) по
теории прочности сыпучих тел известно в современной механике как закон
Кулона-Мора.
Академик Фусс (Россия, 1801) и инженер Винклер (Франция, 1867)
предложили
механические
модели
грунтового
основания
для
расчета
конструкций, взаимодействующих с грунтовой средой. Закономерности
фильтрационных процессов в песчаных грунтах были впервые установлены
Дарси (Франция, 1856) и обобщены в современной механике как закон
ламинарной фильтрации Дарси. Труд профессора Буссинеска (Франция, 1885)
«О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы» до
настоящего времени изучается в курсе механики грунтов и является
основополагающим в теории распределения напряжений в грунтовой среде.
Механика грунтов как самостоятельная дисциплина возникла с момента
опубликования
монографии
профессора
Терцаги
(Германия,
1925)
«Строительная механика грунтов». Именно ему принадлежит установление
основополагающей в теории расчета осадок зависимости, известной как закон
уплотнения Терцаги.
На базе этих и последующих исследований в 30х годах ХХ века была
создана наука механика грунтов. Одновременно стала развиваться и вторая
часть (прикладная) – основания и фундаменты.
Существенное развитие механика грунтов получила в работах ученых
русской школы: Пузыревский (1923), Герсеванов (1931), Флорин (1936),
5
Соколовский (1942), Егоров (1948), Березанцев (1948). Первый курс лекций по
механике грунтов был подготовлен в СССР профессором Цытовичем (1934).
Достижения ученых в области механики грунтов отражены в работах
Швеца В.Б., Гольдштейна М.Н., Клепикова С.Н. и других.
1.2. Грунт как объект исследования
Грунтами называют любые горные породы, которые в инженерностроительной деятельности человека используются в качестве оснований
сооружений, среды, в которой сооружения возводятся, или материала для
сооружений.
По
своему
происхождению
и
условиям
формирования
грунты
разделяются на континентальные и морские отложения.
К
континентальным
отложениям
относятся:
элювиальные,
делювиальные, аллювиальные, ледниковые, водно-ледниковые – пески и
галечники; озерно-ледниковые – ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые,
которые представляют собой продукты физического выветривания горных
пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями - лессовые
грунты и пески дюн и барханов.
Элювиальные отложения залегают в месте первоначального их
возникновения. Делювиальные отложения располагаются на склонах той же
возвышенности, где они возникли, и перемещаются только под действием силы
тяжести и атмосферных вод.
Аллювиальные
отложения
переносятся
водными
потоками
на
значительные расстояния и образуют мощные слоистые толщи.
Ледниковые отложения образовались в результате действия ледников –
валунные глины и суглинки (морены).
К
морским
отложениям
относятся
толщи
дисперсных
глин,
органогенных грунтов ракушечников, органо-минеральные образования – илы,
заторфованные грунты, различные пески и галечники.
По своему происхождению грунты подразделяются на:
6
- магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания
магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как
скальные грунты;
- осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания
горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные
грунты;
- метаморфические, которые образовались в результате действия на
метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших
давлений; они классифицируются как скальные грунты.
Грунты подразделяются на два класса: скальные (грунты с прочными
связями) и нескальные (грунты без прочных связей).
Под прочными связями следует понимать такие, прочность которых
сопоставима с прочностью отдельных минеральных частиц.
В соответствии со строительной классификацией грунты подразделяются
на скальные, крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые. Скальные
грунты детально изучаются в связи со строительством подземных горных
выработок в курсе «Механика горных пород». В механике грунтов предметом
исследований являются последние три вида грунтов. Нескальные грунты
образовались
в
результате
длительного
физического
и
химического
выветриваний прочных осадочных скальных пород, вызвавших их разрушение.
При этом крупнообломочные и песчаные грунты объединяются в группу
несвязных
или
сыпучих
грунтов,
а
пылевато-глинистые
грунты
рассматриваются как связные.
Грунты чаще всего являются наиболее «молодыми» осадочными
отложениями и относятся к четвертичной геологической системе.
Грунты образуются из:
- первичных минералов (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);
- вторичных
глинистых
минералов
(монтмориллонит,
образовавшихся в процессе выветривания горных пород;
- солей (сульфатов, карбонатов);
7
каолинит),
- органических веществ.
При рассмотрении свойств грунтов следует различать их крайние
разновидности – грунты типа песков и грунты типа глин. Между песками и
глинами существуют промежуточные разновидности грунтов – супеси,
суглинки. Свойства грунтов этих разновидностей зависят от содержания в их
составе песчаных и глинистых частиц.
Крупнообломочные частицы имеют размер крупнее 2 мм, песчаные -от 2
мм до 0,05 мм, пылеватые от 0,05 мм до ,0,005 мм глинистые менее 0,005 мм;
частицы мельче 0,0001 мм называются коллоидными.
Песчаные частицы имеют удельную поверхность до 0,05 м2/г. Глинистые
частицы имеют удельную поверхность у каолинита до 10 м 2/г и у
монтмориллонита до 800 м2/г.
С позиций общей механики грунт (рис. 1) представляет собой сложную
термодинамическую систему, которая по принятой классификации является
многофазной и неоднородной.
Рис. 1. Термодинамическая модель грунта:
1 - минеральные частицы (твердая фаза);
2 - структурные связи между минеральными
частицами;
3 - поры, заполненные газом или паром;
4 - поры, заполненные водой и растворенным
в воде газом;
5 - пузырьки, заполненные газом и паром.
8
В составе объема грунта присутствуют вещества в трех фазовых
состояниях: минеральные частицы (твердая фаза); грунтовая вода (жидкая
фаза); газ и пар (газообразная фаза). Минеральные частицы могут иметь
размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое
разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами.
Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или
паром, называют порами. Давление в порах называют поровым давлением. Оно
может относиться исключительно к воде, если все поры заполнены водой,
исключительно к газу при отсутствии воды в порах или к поверхности раздела
фаз «вода - газ (пар)». Газ и пар могут также содержаться в пузырьках или в
растворенном (газ) в воде виде. Систему минеральных частиц, составляющих
грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут
существовать цементационные или коллоидные связи, прочность которых
определяет степень связности грунта. Природа этих связей, называемых
структурными, как и любых связей в твердом теле, электрическая.
Микроскопические свойства грунта, включая взаимодействия составляющих
его компонентов на молекулярном уровне, изучаются в курсе «Грунтоведение».
Если напряжения в скелете грунта не превышают прочности связей между
минеральными частицами (эта прочность называется структурной), скелет
деформируется упруго. Напряжения в скелете в общем случае не совпадают с
поровым давлением. Сопротивление грунта нагружению определяется суммой
напряжений в скелете и порового давления.
В зависимости от температуры и давления компоненты, составляющие
грунт, могут претерпевать процессы фазовых переходов. Например, при низких
температурах грунтовая вода может частично переходить в лед (твердая фаза).
При извлечении образца грунта с большой глубины происходит его упругое
расширение в связи с уменьшением напряжений на поверхности выделенного
объема до нуля. Расширение грунта может привести к отрицательному (по
сравнению с атмосферным) значению порового давления. В результате этого
могут протекать процессы газовыделения из поровой воды и превращения
9
части поровой воды в пар (парообразование). Наоборот, при повышении
порового
давления
могут
наблюдаться
процессы
газорастворения
и
конденсации пара. Эти процессы существенно зависят от температуры и
учитываются при расчетах гидротехнических сооружений.
Грунт является открытой термодинамической системой в отношении
процессов
массопереноса
(воды
или
минеральных
частиц).
Явление
массопереноса в форме движения поровой воды учитывается в теории
фильтрационной консолидации грунтов (выдавливание воды из пор при
уменьшении их объема под действием нагрузки). Явление массопереноса в
форме перемещения минеральных частиц грунта учитывается при изучении
суффозионных процессов в грунтах (вымыв из грунта компонентов скелета под
воздействием фильтрационного потока). Минеральные частицы специфических
грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. В
этом случае миграция поровой воды может приводить к химической суффозии
(растворение и перенос вещества в растворенном виде). Присутствие в поровой
воде растворов солей, кислот и щелочей делает ее агрессивной по отношению к
конструкциям фундаментов.
Отмеченные здесь особенности поведения грунтов при изменении
давлений и температуры изучаются в специальных разделах механики грунтов.
Классическая механика грунтов основана на ряде следующих допущений:
а) грунт
деформируется
как
квазиоднородное
упругое
тело,
если
напряжения в скелете грунта не превышают его структурную прочность;
б) поровая вода является несжимаемой;
в) присутствие в порах газа и пара не оказывает существенного влияния на
процесс деформирования грунта;
г) сжимаемость минеральных частиц грунта пренебрежимо мала;
д) деформируемость грунта под нагрузкой обусловлена, в основном,
переупаковкой скелета после разрушения структурных связей, приводящей к
изменению объема пор.
10
Под структурой грунта понимается размер, форма и количественное
(процентное) соотношение слагающих грунт частиц.
Под текстурой грунта понимается пространственное расположение
элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует
неоднородность строения грунта в пласте залегания. Текстура бывает
массивной, слоистой и сетчатой.
Например, в озерах ледникового периода образовывались пылеватоглинистые отложения с характерной слоистой текстурой. Они представляют
собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний
период подо льдом, и из пылеватых песчаных частиц, оседавших в теплый
период года.
Различают слоистую, слитную и сложную текстуру: слоистая — наиболее
распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и
других отложений; слитная присуща морским отложениям, имеющим
однородное сложение в различных точках массива; сложная — порфировая,
ячеистая, макропористая и др. (порфировой текстурой обладают моренные
суглинки; ячеистая текстура характерна для вечномерзлых грунтов, имеющих
вертикальные и горизонтальные полости, заполненные льдом, макропористую
текстуру имеют лессовые грунты).
Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на
жесткие
(кристаллизационные)
и
пластичные,
вязкие
связи
(водно-
коллоидные). Жесткие связи более характерны для скальных грунтов,
пластичные связи - главным образом для глинистых грунтов.
Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нерастворимыми.
При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут
возникать водно-коллоидные связи.
Грунты могут служить:
- основанием зданий и сооружений;
- средой для размещения в них сооружений, (труб, подземных сооружений,
тоннелей, станций метрополитена и др.);
11
- материалом для сооружений (насыпи, земляные плотины, сырье для
изготовления стройматериалов).
1.3. Основные характеристики грунта, определяющие его свойства
В данном разделе содержатся теоретические обобщения сведений о
свойствах
грунтов,
приведенных
в
курсе
«Инженерные
изыскания
в
строительстве». Различают физические, прочностные и деформационные
характеристики
основные,
грунта.
производные
характеристики,
Физические
и
характеристики
классификационные.
определяемые
из
опыта.
подразделяются
Основными
Остальные
на
являются
физические
характеристики являются расчетными.
Физические свойства грунта. Удельным (ранее объемным) весом грунта
γ называется отношение полного веса образца грунта к полному объему,
который он занимает, включая объем пор. Размерность [кН/м3].
Удельным
весом
сухого
грунта
γd
называется
отношение
веса
высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем
пор.
Удельным весом частиц грунта γs (ранее назывался, удельным весом
грунта) называется отношение веса частиц грунта к объему, который они
занимают. Размерность [кН/м3].
Таблица 1
Основные физические характеристики грунта
Наименование
Плотность грунта
Удельный вес грунта
Плотность частиц грунта
Удельный вес частиц
грунта
Влажность грунта
Влажность на границе
пластичности
Влажность на границе
текучести
Обозначение
ρ
γ
ρs
γs
Размерность
кг/м3
Кн/м3
кг/м3
Кн/м3
Формула для вычисления
ρ = G/ V
γ = ρ·g
ρs = Gs/ Vs
γs = ps ·g
W
Wp
безразмерна
безразмерна
W = (G – Gs)/ Gs = Gw / Gs
Wp = Gw,p / Gs
WL
безразмерна
WL = GW,L / Gs
12
Влажность грунта W бывает весовой и объемной. Весовой влажностью
называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц
грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в
образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта).
Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная
влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 %
(например у ила, торфа). Поэтому:
W = (γ – γd)/ γd.
(1)
Пористостью п грунта называется отношение объема пор полному
объему образца грунта. Коэффициентом пористости е или относительной
пористостью
называется
отношение
объема
пор
образце
к
объему,
занимаемому его твердыми частицами - скелетов то есть:
e = n/(1– n)
(2)
Теоретически пористость п изменяется в пределах от нуля (поры
отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно коэффициент
пористости е изменяется от нуля (поры отсутствуют) до бесконечности (скелет
отсутствует). Пористость не может быть больше единицы, в то время как
коэффициент пористости может быть больше единицы (например, у лессов,
торфа). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему,
занятому твердыми частицами.
Удельный вес грунта γ зависит от удельного веса частиц грунта γs, его
пористости п и влажности W .
Удельный вес частиц грунта γs зависит от минералогического состава
скелета грунта и степени их дисперсности. У глин он больше, чем у песка при
одних и тех же образующих грунт минералах. В глинистом грунте поверхность
частиц намного больше, чем в песчаном, поэтому и большая возможность
окисления и проявления поверхностных явлений. Удельный вес частиц грунта
γs, от его пористости п не зависит.
13
Таблица 2
Производные физические характеристики грунта
Наименование Обозначение
pd
Плотность сухого
грунта
γd
Удельный вес
сухого грунта
e
Коэффициент
пористости
Пористость
n
Коэффициентом
влажности
грунта,
грунта
к
W
Размерность
кг/м3
Формула для вычисления
pd = G s / V = p / (1+W)
кг/м3
γd = p d · g = γ / (1+W)
безразмерна
e = V n / V s = (p s - p d) / p d = p s / p d - 1
безразмерна
n = V n / V = (p s - p d) / p s = 1 - p d / p s
(индексом)
водонасыщенности,
называется
отношение
влажности,
соответствующей
или
степенью
природной
влажности
полному
заполнению
пор
водойй, WSat. Коэффициент водонасыщенности Sr изменяется от нуля
(для
абсолютно
сухого
грунта)
до
единицы
(для
полностью
водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле:
Sr = W/ WSat
(3)
Грунты называются:
- маловлажными при Sr <0,5;
- влажными при 0,5< Sr <0,8;
- насыщенными водой при Sr > 0,8.
Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту
одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости
от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние
грунта устанавливают по классификационным показателям.
Механические свойства грунта. В закономерностях механики грунтов
используются количественные показатели механических свойств различных
грунтов, получаемые экспериментальным путем.
Образцы грунта для проведения экспериментальных исследований не
могут быть изготовлены в лаборатории искусственно, т.к. невозможно
воспроизвести природные тела, созданные многовековой историей их
образования и существования. Поэтому испытания проводят на образцах
14
грунта, тщательно отобранных в полевых условиях, т.е. стараются сохранить
природную структуру, пористость, влажность, взаиморасположение частиц (на
образцах ненарушенной структуры). Исключение составляют исследования
грунтов как строительных материалов для земляных сооружений. В этих
случаях
испытания
проводятся
на
образцах
нарушенной
структуры,
соответствующей фактическому состоянию грунта в земляном сооружении.
При исследовании влияния внешних воздействий на грунты как
сложные
минеральнодисперсные
пористые
тела
выявлены
следующие
особенности их поведения под нагрузкой:
1)
изменение пористости, а, следовательно, и водопроницаемости
грунта под действием внешнего давления;
2) ухудшение водопроницаемости из-за наличия в тонкодисперсных
грунтах прочно- и рыхлосвязанной воды;
3) незначительная деформируемость самих грунтовых частиц по
сравнению с деформируемостью пор.
Первые
две
особенности
значительно
осложняют
расчеты,
а
пренебрежение ими придает практическим расчетам некоторую условность.
Деформируемостью грунтовых частиц при расчетах можно пренебречь.
Таблица 3
Основные закономерности механики грунтов, описывающие
механические свойства
Свойство
Закономерность
Показатели
Сжимаемость
Закон уплотнения
Водопроницаемость
Закон ламинарной
фильтрации
Коэффициент
сжимаемости mo
Коэффициент
фильтрации Кф
Контактная
сопротивляемость сдвигу
Предельное
сопротивление сдвигу.
Условие прочности
Коэффициент
внутреннего трения
φ и сцепление С
Структурнофазовая деформируемость
Принцип общей и
линейной
деформируемости
Модули
деформируемости
Е, Ео
15
Практические
приложения
Расчет осадок
фундаментов
Прогноз скорости
осадок водонасыщенных грунтовых
оснований
Расчеты предельной
прочности,
устойчивости и
давления на
ограждения
Определение
напряжений и
деформаций грунтов
Перечисленные зависимости являются важнейшими закономерностями,
описывающими механические свойства дисперсных тел, какими являются
грунты.
Сжимаемость грунтов, обусловленная изменением их пористости, т.е. их
общего объема, под действием внешних сил, является свойством лишь
дисперсных материалов, которое не учитывается в механике сплошных сред.
Водопроницаемость является свойством всех пористых тел, однако для
грунтов это величина переменная.
Для сыпучих грунтов контактная сопротивляемость сдвигу обусловлена
внутренним трением, для связных грунтов – трением и сцеплением.
Структурно-фазовая
деформируемость
грунтов
зависит
как
от
сопротивляемости и податливости их структурных связей, так и от
деформируемости отдельных компонентов, слагающих грунт.
1.4. Вопросы для самоконтроля
1. Какие вопросы рассматриваются в механике грунтов?
2. Что называется основанием?
3. В каких областях строительства используются результаты механики
грунтов?
4. Когда вышла в России первая книга по механике грунтов и кто ее
автор?
5. Как подразделяются по своему происхождению горные породы?
6. К каким геологическим системам относятся грунты?
7. Какие основные группы грунтовых образований вы можете назвать?
8. Из чего состоят грунты?
9. Что понимается под структурой грунта?
10. Что понимается под текстурой грунта?
11. В каком виде в грунтах встречается вода?
12. В каком виде встречаются газы в грунтах?
13. Какова крупность крупнообломочных, песчаных, пылеватых и
глинистых частиц?
14. Какие физические свойства грунта являются основными?
15.
Для
каких
целей
нужны
классификационные показатели?
16
классификации
грунтов
и
ГЛАВА II. Курсовое проектирование оснований
2.1.
Общие сведения
2.1.1. Задание на выполнение проекта
В бланке задания (прил. 7) для курсового проекта указывается место
строительства
здания,
даются
указания
по
выполнению
проекта.
В
приложении приводятся:
- характеристика сооружения: тип, конструкция, этажность, наличие
подвала;
- схематические чертежи сооружения: план и разрез здания;
- план площадки строительства с указанием горизонталей, положения
буровых скважин, шурфов и точек зондирования;
- буровые
колонки, расчетные значения характеристик грунта по
данным полевых и лабораторных испытаний.
Выполненный проект должен состоять из:
- расчетно-пояснительной записки (25 - 30 страниц формата А4);
оформляется в соответствии с требованиями [6,15]; текст делится на разделы,
подразделы и пункты; разделы должны иметь порядковую нумерацию в
пределах всей записки и обозначаться арабскими цифрами, подразделы
нумеруются арабскими цифрами в пределах каждого раздела, пункты
нумеруются арабскими цифрами в пределах каждого подраздела; формулы,
рисунки и таблицы должны иметь самостоятельную последовательную
нумерацию в пределах раздела;
- при ссылках на используемую литературу, рекомендованную в
библиографическом списке, указывается номер источника, а также номера
страниц, приложений, таблиц, пунктов указаний; написание текста записки
четкое, соблюдая следующие размеры полей: левое - 30 мм, правое - 10 мм,
верхнее и нижнее - 15 мм; страницы должны иметь сквозную нумерацию
арабскими цифрами, проставляемыми в средине нижней части страницы;
настоящие указания составлены с учетом требований и могут
17
быть
использованы студентом в качестве примера оформления пояснительной
записки);
- рабочих чертежей по конструированию фундаментов, выполненных на
листе ватмана формата А4 в соответствии с требованиями [15].
2.1.2. Основные понятия и определения
Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор типа
основания (естественное или искусственное), а также типа, конструкции,
материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения;
ленточных,
столбчатых,
железобетонных,
бетонных,
бутобетонных)
с
применением в случае необходимости строительных или конструктивных
мероприятий
для
уменьшения
влияния
деформаций
оснований
на
эксплуатационную пригодность зданий или сооружений.
В большинстве случаев проектирование оснований производится без
учета
совместной
работы
основания
и
надземных
конструкций.
Это
объясняется сложностью и трудоемкостью подобных расчетов. Однако
применение современных вычислительных машин и численных методов
расчета позволяет эффективно выполнять соответствующие расчеты. Эти
расчеты показывают, что учет совместной работы может привести к снижению
затрат на устройство фундаментов.
Основания зданий и сооружений должны проектироваться с учетом
нормативных документов (СНиП [1,2,6,7]).
Основания зданий и сооружений должны проектироваться на основе:
- результатов инженерно-геологических, инженерно-геодезических и
инженерно-гидрологических изысканий;
-
данных,
технологические
характеризующих
особенности
назначение,
сооружения,
нагрузок,
конструктивные
и
действующих
на
фундаменты, и условий его эксплуатации;
-
технико-экономического
сравнения
фундаментов.
18
возможных
вариантов
При изложении материалов курса используется терминология и
физические величины, объяснение которых приводится в нижеследующем
тексте (рис. 2 ).
Рис. 2. Схема фундамента на естественном основании
Фундаментом (I)
называется
подземная
часть
сооружения,
предназначенная для передачи строительных нагрузок на грунты основания.
b – ширина подошвы фундамента; bс –
ширина фундаментной степы;
аf – ширина уступа фундамента; kу – высота уступа фундамента;
d – глубина заложения фундамента от уровня планировки;
dn – глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа;
l – длина подошвы фундамента; А – площадь подошвы фундамента;
FL – отметка заложения подошвы фундамента;
no1, no11 – усилие на 1 пог. метр ленточного фундамента, действующее на
верхнем его обрезе, при расчете соответственно по первому или второму
предельному состоянию;
19
NoI, NoII – расчетное усилие на 1 пог. метр ленточного фундамента,
действующее на подошву фундамента при расчете соответственно по
первому или второму предельному состоянию;
NI, NII – расчетное усилие действующее на подошву столбчатого фундамента
при расчете соответственно по первому или второму предельному
состоянию;
Основанием (II ) – называется грунтовый массив, воспринимающий нагрузку
от сооружения.
HС – глубина сжимаемой толщи;
НДЗ – напряженно-деформируемая зона;
h – толщина слоя грунта;
S – осадка основания;
NL – отметка поверхности природного рельефа;
DL – отметка планировки;
ВС – нижняя граница сжимаемой толщи;
WL – уровень подземных вод.
Несущим слоем называется слой грунта, залегающий под подошвой
фундамента и непосредственно воспринимающий нагрузку от сооружения.
Слои грунта, залегающие ниже несущего слоя, называются подстилающими
слоями.
Указания к выполнению проекта составлены в той последовательности,
которая рекомендуется при выполнении проектов. В примерах расчета
оснований и фундаментов мелкого заложения рассматривается один вариант,
наиболее характерный в практике проектирования. Студент, имея данный
порядок расчетов и заключений, решает поэтапно конкретные задачи своего
варианта.
2.2. Обработка физико-механических характеристик грунтов
строительной площадки
В таблицах 1, 2, 3 приведены названия и обозначения физикомеханических характеристик грунтов, которые необходимы для оценки грунта
в качестве основания сооружения.
20
Для выполнения проекта в задании даются значения характеристик
грунтов, определенные в геотехнической лаборатории (ρs , ρ, w, wp, wl, φII, C) и
показатели
гранулометрического
состава.
Для
определения
других
характеристик грунтов используются следующие формулы:
е = ρs / ρd – 1
(4)
е = [ρs·(1+w)/ρ] – 1
(5)
n=
е
е 1
(6)
Sr = (ρs × w) / е· ρw
(7)
ρsb = (ρs ·ρw)×(1 – n)
(8)
ρd = ρs ·( 1 – n)
(9)
Ip = WL – Wp
(10)
IL = W – W p / Ip
(11)
γ = ρ·g
(12)
В формулах (10, 11):
Ip – число пластичности, определяемое разностью между влажностями на
границе текучести WL и на границе раскатывания Wp .
При
1 < Ip ≤ 7 глинистый грунт называется супесью, при 7 < Ip ≤ 17
грунт называется суглинком, при Ip > 17 – глиной.
IL – показатель консистенции (индекс текучести), характеризующий
состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от
естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так
и положительным, в том числе больше единицы (грунты текучей консистенции)
Для суглинков и глин диапазон изменения IL от нуля до единицы
(пластичное состояние) подразделяется на четыре равных диапазона: грунты
полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные.
21
В
пояснительной
записке
должны
приводиться
расчеты
по
их
определению для каждого вида грунта (инженерно-геологического элемента) в
соответствии с [5, табл.2] или по табл. п.2.1.- п.2.6. настоящих указаний.
В целях систематизации обработки физико-механических характеристик
грунта результаты расчета рекомендуется сводить в таблицу.
После
определения
физико-механических
характеристик
грунта
необходимо найти R0 расчетное сопротивление грунта основания (по табл. п.3.1.
и п. 3.2. настоящих указаний) или [3, прил.3, табл.1-4].
При определении R0 необходимо знать:
-для песчаного грунта: его тип, плотность сложения и степень влажности
[5, табл.2];
- для пылевато-глинистого грунта: его тип, коэффициент пористости и
показатель текучести [5, табл.2];
- для лессовидного грунта: его тип и плотность сухого грунта.
2.2.1. Пример 1. Определение физических характеристик грунта
1. Требуется вычислить необходимые физические характеристики 1 слоя
грунта в дополнение к определенным в геодезической лаборатории:
ρs = 2,71г/см3, ρ =1,8 г/см3, w =15%, wp=16%, wL =26%, φII =23, C=25кПа;
Название грунта определяется по числу пластичности:
Ip = wL - wp = 26 – 16 = 10% – суглинок.
По показателю текучести:
Il
W Wp
Ip
15 16
0,1% - твердый суглинок
10
Коэффициент пористости определяется по формуле:
1W
1 0,15
1 2,71
e ps
1 0,73
p
1
,
8
Пористость:
n
e
0,73
0,42
e 1 0,73 1
Плотность грунта во взвешенном водой состоянии определяется по
формуле:
22
sb
s w
1 n
2,71 1
0,98 г/см3.
1 0,42
Удельный вес грунта во взвешенном водой состоянии:
sb sb g 0,98 10 9,8 кН/м3.
Плотность грунта в сухом состоянии определяется по формуле:
d
1 0,01 W
1,8
1,79 г/см3.
1 0,01 0,15
Удельный вес грунта в сухом состоянии определится:
d d g 1,79 10 17,9 г/см3.
Расчетное сопротивление суглинка составит:
R0 = 245 кПа.
2. Физические характеристики 2 слоя грунта: ρs = 2,7 г/см3, ρ = 1,76 г/см3,
w =17%, wp=17%, wL =25%, φII = 29; C = 25кПа, определить название грунта и
его расчетное сопротивление.
Название грунта определяется по числу пластичности:
Ip = wL - wp = 25 – 17 = 8 % – суглинок.
По показателю текучести:
Il
W Wp
Ip
17 17
0% - суглинок полутвердый
8
Коэффициент пористости определяется по формуле:
1W
1 0,17
1 2,7
e ps
1 0,79
p
1,76
Пористость:
n
e
0,79
0,44
e 1 0,79 1
Плотность грунта во взвешенном водой состоянии определяется по
формуле:
sb
s w
1 n
2,7 1
0,94 г/см3.
1 0,44
Удельный вес грунта во взвешенном водой состоянии:
sb sb g 0,94 10 9,4 кН/м3.
23
Плотность грунта в сухом состоянии определяется по формуле:
d
1 0,01 W
1,76
1,75 г/см3.
1 0,01 0,17
Удельный вес грунта в сухом состоянии определится:
d d g 1,75 10 17,5 г/см3.
Расчетное сопротивление суглинка составит: R0 = 230 кПа.
3. Физические характеристики 3 слоя грунта: ρs = 2,66 г/см3, ρ = 1,82 г/см3,
w =14 %, φII = 26º; определить название грунта и его расчетное сопротивление.
Название грунта определяется по числу пластичности:
Ip = wL - wp = 0 – песок
Коэффициент пористости определяется по формуле:
1W
1 0,14
1 2,66
e ps
1 0,66
p
1,82
Пористость:
n
e
0,66
0,4
e 1 0,66 1
Плотность грунта во взвешенном водой состоянии определяется по
формуле:
sb
s w
1 n
2,66 1
0,996 г/см3.
1 0,4
Удельный вес грунта во взвешенном водой состоянии:
sb sb g 0,996 10 9,96 кН/м3.
Плотность грунта в сухом состоянии определяется по формуле:
d
1 0,01 W
1,82
1,81 г/см3.
1 0,01 0,14
Определяем удельный вес грунта в сухом состоянии:
d d g 1,81 10 18,1 г/см3.
Расчетное сопротивление песка составит: R0 = 400 кПа.
Определяем коэффициент водонасыщения песка по формуле:
Sr
s W 2,66 0,14
0,56
e w
0,66 1
24
По полученным показателям можно сделать вывод – песок, влажный,
средней крупности, средней плотности.
2.2.2. Пример 2. Заполнение таблицы физико-механических
характеристик грунтов
После обработки физико-механических характеристик грунта результаты
расчета сводим в таблицу.
Таблица 4
Тип грунта
Суглинок
Суглинок
Песок
Удельный вес тв. частиц, кН/м3
γs
1,8
1,76
1,82
Удельный вес, кН/м3
γ
17,8
17,3
18,1
Удельный
вес
грунта
во
взвешенном водой состоянии,
кН/м3
γsb
9,8
9,4
9,96
Удельный вес сухого грунта,
кН/м3
γd
17,9
17,5
18,1
Коэффициент пористости
e
0,73
0,79
Средняя
плотность
Пористость
n
0,42
0,44
0,4
Природная влажность
w
0,15
0,17
0,14
Коэффициент водонасыщения
Sr
-
-
влажный
Влажность на границе
текучести
wL
0,26
0,25
-
Влажность на границе
раскатывания
wp
0,16
0,17
-
Число пластичности
Ip
0,1
0,08
0
Показатель текучести
IL
-0.001
твердый
0
полутвердый
-
Угол внутреннего трения,
градус
φⅡ
23
29
26
Удельное сцепление, кПа
C
25
25
-
Модуль деформации, кПа
E
17287
19313
20900
Расчетное сопротивление грунта
оснований, кПа
R0
245
230
400
0,66
25
0,56
2.2.3. Пример 3. Обработка результатов испытаний грунта штампом
Штамповые испытания (рис. 3) заключаются в том, что штамп – круглая
плита – устанавливается на дно котлована на предварительно зачищенную и
разровненную поверхность грунта, после чего загружается ступенями нагрузки.
Последующая ступень нагрузки прикладывается после затухания осадки от
предыдущей ступени. По линейному участку зависимости осадки s, см, от
нагрузки р, МПа, устанавливается модуль деформации Е0. Основным
достоинством
этого
вида
испытаний
является
то,
что
они
ведутся
непосредственно в грунтовом массиве.
Рис. 3. Штамповые испытания грунта в котловане в полевых условиях
а) схема установки; б) зависимость осадки от нагрузки; 1- шурф; 2 –
жесткий штамп;. 3 – платформа; 4 - нагрузка
Требуется определить модуль деформации грунта по результатам
испытания грунта ИГЭ –1 штампом (А= 5000 см²) в полевых условиях.
Грунт – суглинок
Таблица 5
P,
кПа
S,мм
0
50
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
0
1
3
6
9
15
20
29
38
48
62
90
В соответствии с ГОСТ 12374-77 «Грунты. Методы полевого испытания
статистической нагрузкой» модуль общей деформации грунта Е вычисляется
для прямолинейного участка графика по формуле:
26
E 1 2 wd
P
, где
S
(13)
где ν – коэффициент бокового расширения грунта (коэффициент
Пуассона), принимаемый равным 0,3 ÷0,35 для песков; 0,35÷0,4 для супесей;
0,4 ÷ 0,45 – для суглинка; 0,45 ÷ 0,5 для глин.
w – безразмерный коэффициент, принимаемый для жестких круглых
штампов равным 0,8;
d – диаметр штампа, м;
∆Р – приращение давления между двумя точками, взятыми на
усредняющей прямой, кПа. За начальное значение принимается давление,
равное вертикальному напряжению от собственного веса грунта на уровне
заложения подошвы фундамента (в расчетах принимается 50 кПа), за конечное
– давление, соответствующее конечной точке прямолинейного участка;
∆S – приращение осадки штампа в м между теми же точками,
соответствующее ∆Р.
Испытание суглинка стандартным штампом площадью А = 5000 см2,
диаметром d = 0,798 м, модуль деформации определится:
Е 1 0,35 2 0,7 0,798
250
17287 кПа.
0,008
Рис. 4. График испытания грунта штампом
Модуль общей деформации грунта Е аналогичен модулю упругости в
законе Гука, но в отличие от последнего учитывает как упругие, так и
27
остаточные деформации. Он определяется испытанием образца ненарушенной
структуры в компрессионном приборе или испытанием грунта штампом в
полевых условиях. В настоящее время для оценки механических свойств грунта
в основном применяют лабораторные методы. Компрессионные испытания
грунтов проводят с использованием специальных приборов — одометров и
стабилометров. При работе с одометром (рис. 5) образец грунта ненарушенной
структуры помещают в жесткое металлическое кольцо, которое вместе с
образцом устанавливают на пористое днище. Нагрузка N передается на образец
грунта поршнем. Конструкция поршня (как и днища) допускает фильтрование
через него отжимаемой из образца воды. Деформацию образца измеряют
индикатором. Одометр находится в ванне, в которую при испытаниях
водонасыщенных грунтов наливают воду. Образец грунта имеет форму
цилиндра высотой h более 20 мм и диаметром основания более 71 мм с
отношением высоты к диаметру 1 : 3,5. Относительно малая высота образца
позволяет уменьшить влияние сил трения грунта о кольцо на деформацию
грунта.
Однако одометры имеют два существенных недостатка: 1) наличие
трения между боковой поверхностью образца грунта и жесткими стенками
корпуса искажает результаты опыта; 2) неточность пригонки горизонтальных
поверхностей грунтового образца к пористым дискам и его боковой
поверхности к стенкам корпуса одометра приводит к значительному
завышению деформаций образца.
Этих недостатков лишены приборы трехосного сжатия, называемые
стабилометрами. В стабилометре (рис. 6) образец грунта находится в резиновой
оболочке, герметически закрытое пространство между которой и жесткими
стенками металлического цилиндра заполняется жидкостью, например водой.
Герметичность пространства, в котором находится вода, окружающая образец с
боков, и ее малая сжимаемость (по сравнению с грунтом) позволяют считать,
что образец испытывает сжатие без бокового расширения. Достоинством
стабилометра является то, что в нем устраняются силы трения по боковой
28
поверхности образца и появляется возможность измерения сил бокового
давления манометром (см. рис. 6). При испытании образца грунта давление σ,
кПа, определяемое по формуле σ = N/A (здесь N — вертикальная нагрузка на
образец, (кН); А — площадь поперечного сечения образца, (м2), повышают
ступенями от 12,5 до 50 кПа, выдерживая каждую ступень до прекращения
деформации образца, т. е. до стабилизации осадки. В песчаных грунтах
стабилизация осадки происходит в течение нескольких минут, а в глинистых
грунтах она может длиться несколько суток. В результате испытания
устанавливают значения осадки образца s, мм, соответствующие каждой
ступени нагрузки, и строят график зависимости относительного вертикального
укорочения образца е, определяемого по формуле e = s/h (здесь h — высота
образца, мм), от передаваемого на него давления , а также кривую зависимости
коэффициента пористости е от Р (рис. 7), которая называется компрессионной
кривой.
Рис. 5. Схема одометра
1 — образец грунта; 2 —
металлическое кольцо; 3 —
поршень; 4 — индикатор; 5 —
ванна; 6 — днище
Рис. 6. Схема стабилометра 1 — образец
грунта; 2 — резиновая оболочка; 3 —
цилиндр; 4 — пространства, заполненное
жидкостью; 5 — трубка от насоса; 6 —
кран; 7 — манометр; 8 — поршень; 9 —
бюретка для измерения объема образца;
10— уровень воды; 11 — кран для отвода
воды, отжимаемой из образца грунта
29
2.2.4. Пример 4. Обработка результатов компрессионных испытаний
грунта
Требуется определить модуль деформации грунта Е по результатам
испытания грунта в компрессионном приборе. В соответствии с таблицей,
приведенными в задании, строим график зависимости e = f (p).
На рис. 7. приведен график испытания грунта в компрессионном приборе.
Грунт – суглинок.
Таблица 6
P, кПа
0
50
100
200
300
400
e
0,8
0,79
0,78
0,76
0,735
0,72
Используя
нормативные
рекомендации,
определяется
коэффициент
сжимаемости в интервале давления 100-200 кПа.
m0
e1 e2
0,78 0,76
0,0002 кПа-1.
p2 p1
200 100
Рис. 7. График испытания грунта в компрессионном приборе
Модуль деформации по компрессионным испытаниям определится:
EK
1 e1
m0
0,62 1 0,78
5518 кПа.
0,0002
30
где, β – коэффициент, принимаемый для песков 0,76; для супесей 0,74;
для суглинка 0,62; глин 0,4.
Е mk Ek 3,5 5518 19313 кПа
2. Грунт – песок.
Таблица 7
Р, кПа
0
50
100
200
300
400
е
0,663
0,655
0,65
0,644
0,64
0,637
Используя
нормативные
рекомендации,
определяем
коэффициент
сжимаемости в интервале давления 100-200 кПа:
e1 e2
0,65 0,644
0,00006 кПа-1.
p2 p1
200 100
m0
Определяем модуль деформации по компрессионным испытаниям:
EK
1 e1
m0
0,76 1 0,65
20900 кПа.
0,00006
Модуль деформации Ек , полученный по результатам компрессионных
испытаний, из-за несоответствия напряженно-деформированного состояния
грунта в приборе и в основании фундамента, имеют заниженные значения.
Поэтому для перехода к натуральным значениям модуля деформации от
компрессионных значений вводим корректировочный коэффициент mk.
Таблица 8
Вид
Коэффициент mk
грунта
При коэффициенте пористости е равном
0,45
,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
1,1
1,2
1,3
1,4
Супесь
4,0
4,0
3,5
3,0
2,0
-
-
-
-
-
-
Суглинок
5,0
5,0
4,5
4,0
3,0
2,5
2,0
-
-
-
-
Глина
-
-
6,0
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
2,5
2,0
2.3. Оценка инженерно-геологических условий площадки строительства
Для оценки инженерно-геологических условий площадки строительства
обычно выполняют инженерно-геологические изыскания, которые проводят
31
специализированные организации, имеющие лицензии на проведение данного
вида работ. В России основной объем изысканий выполняют тресты
инженерно-строительных изысканий (ТИСИЗ).
Инженерно-геологический разрез представляет собой чертеж, на котором
изображены горные выработки (скважины, шурфы), выделены слои грунта,
показана их мощность, нанесен ряд показателей их свойств, показан уровень
грунтовых вод. В курсовом проекте геологический разрез строится в масштабе
Мг = 1: 500 и Мв = 1:100 по трем буровым колонкам, прилагаемым к заданию
на проектирование. Анализ физико-механических характеристик грунтов и
геологического разреза позволяет:
1. Дать общую инженерно-геологическую оценку площадки строительства
(описание рельефа, возможности оползневых смещений, изменение
мощности отдельных слоев от скважины к скважине, уровень подземных
вод и др.)
2. Дать заключение о возможности использования каждого слоя грунта в
качестве естественного основания.
3. Нанести на геологический разрез контуры фундамента здания.
4. Рассмотреть возможные к выполнению варианты фундаментов в
конкретных инженерно-геологических условиях.
2.3.1. Пример 5. Выполнение инженерно-геологического разреза и оценка
инженерно-геологических условий площадки
Требуется дать оценку инженерно-геологических условий площадки
строительства.
На рисунке 8 приведен инженерно-геологический разрез, выполненный
по данным трех буровых колонок. Указанное расстояние между буровыми
скважинами соответствует их положению на плане размещения геологических
выработок.
Площадка
характеризуется
благоприятными
условиями
для
строительства: имеет относительно ровный рельеф, отмечается горизонтальное
простирание слоев грунта.
В геологическом отношении площадка строительства представлена
следующими инженерно-геологическими элементами:
32
В геологическом отношении площадка строительства представлена
следующими инженерно-геологическими элементами:
1 – суглинок твердый.
γ = 17,8; е = 0,73; Il = -0,1; E = 17287 кПа;
R0 = 245кПа; толща 0,8 м.
2 – суглинок полутвердый
γ = 17,3; е = 0,79 Il = 0; E = 19313 кПа;
R0 = 230кПа; толща 0,9 м.
3 – песок, средней крупности, средней плотности, влажный.
γ = 18; е = 0,66; E = 20900кПа;
R0 = 400кПа.
Рис. 9. Инженерно- геологический разрез
2.4. Вопросы для самоконтроля
1.
На
основании
каких
нормативных
документов
выполняется
проектирование оснований?
2. Какие исходные данные необходимы для проектирования оснований?
3. С какой целью выполняют инженерно-геологические изыскания?
4. Что называют инженерно-геологическим разрезом?
33
ГЛАВА III. Проектирование оснований по деформациям
3.1. Основные положения по проектированию
Расчет оснований по деформациям включает следующие этапы:
– определение нормативных и расчетных нагрузок на фундаменты;
– оценку инженерно-геологических
и
гидрогеологических
условий
площадки строительства;
– выбор глубины заложения фундамента;
– назначение предварительных размеров подошвы с использованием
условного расчетного сопротивления грунта R0;
– вычисление расчетного сопротивления R и уточнение принятого
размера подошвы фундамента;
– проверку прочности слабого подстилающего слоя при его наличии;
– определение деформаций основания и сравнение их с предельными
значениями.
Фундаментом называется часть здания или сооружения, преимущественно
подземная, которая воспринимает нагрузки от сооружения и передает их на
естественное или искусственное основание, сложенное грунтами.
По
общепринятой
классификации
в
зависимости
от
характера
деформации грунта в основании фундаменты подразделяются на фундаменты
мелкого и глубокого заложения. Подобная классификация основана на
характере
развития
зон
предельного
равновесия
в
массиве
грунта,
окружающего фундамент.
Характер деформации грунта в предельном состоянии зависит от
относительной глубины заложения d/b. На рисунке 10 показано очертание зон
предельного равновесия для фундаментов с различной относительной глубиной
заложения.
При d/b = 1/2 фундаменты относятся к категории мелкого заложения.
Предельное
состояние основания
характеризуется
выпором грунта на
поверхность основания. В большинстве случаев реальные фундаменты имеют
глубину заложения не более 3,5 м.
34
Рис.10. Зоны с предельным состоянием при различных значениях d/b:
а) - d/b = 1/2; б) – 1/2 < d/b ≤ 2 ; в) - d/b =2 ÷ 4
При глубине заложения от 2 до 5 м и относительной глубине заложения
1/2 < d/b ≤ 2 фундаменты относятся к категории средней глубины заложения.
В предельном состоянии наблюдается не только выпирание грунта на
поверхность, но и развитие зон предельного равновесия по направлению вглубь
основания.
Фундаментами глубокого заложения называются такие, у которых не
наблюдается выпора грунта на поверхность. Предельное состояние основания
характеризуется развитием зон предельного равновесия вглубь него. Подобное
состояние может возникнуть в основании свайных фундаментов, фундаментовоболочек и буровых опор.
Существует также определение, что фундаменты мелкого заложения - это
фундаменты, сооружаемые в открытых котлованах, а фундаменты глубокого
заложения не требуют вскрытия котлованов.
Отличительные особенности фундаментов мелкого заложения:
нагрузка на основание передается преимущественно через подошву
фундамента;
соотношение размеров (высоты и ширины) не превышает 4, что
позволяет рассматривать такие фундаменты как жесткие конструкции;
при
их
повороте
в
работу
включается
боковая
поверхность
фундамента;
фундаменты устраивают в открытых котлованах или в полостях
заданной формы, создаваемых в массиве грунта.
35
Фундаменты
мелкого
заложения
могут
применяться
для
любых
сооружений и в любых инженерно-геологических условиях. В практике
строительства применяются фундаменты мелкого заложения следующих
видов:
столбчатые,
ленточные,
перекрестные
и
в
виде
сплошных
железобетонных плит. Наиболее часто проектируются ленточные фундаменты,
они и рассматриваются в курсовом проекте.
3.2. Определение нагрузок на фундаменты в расчетных сечениях
3.2.1. Классификация нагрузок
При выполнении курсового проекта расчет фундамента производится в
одном характерном сечении, для которого студент определяет нагрузки и
усилия для расчета оснований и фундаментов в соответствии с заданным
вариантом.
Следует иметь ввиду, что в соответствии с положениями СНиП [ 3;7; ]
расчет фундаментов и оснований гражданских зданий производится с учетом
сочетания
постоянных,
временных,
длительно
действующих
и
кратковременных нагрузок. Различают нормативные и расчетные нагрузки.
Нормативные – наибольшие нагрузки, не разрушающие нормальных
эксплуатационных условий.
Расчетные – нагрузки, определяемые как произведение нормативных
нагрузок на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке,
учитывающие возможные отклонения нагрузок в неблагоприятную сторону и
случайные отступления от условий нормальной эксплуатации.
Расчет оснований проводится по двум группам предельных состояний:
•
по первой группе предельных состояний (прочности и несущей
способности) проверяется прочность конструкций фундаментов и устойчивость
сооружения; расчет производится по расчетным
с
учетом
усилиям, определяемым
коэффициентов надежности по загрузке (для упрощения расчета
оснований и фундаментов гражданских зданий в курсовом проекте расчетные
36
усилия могут быть определены при значении осредненного коэффициента
надежности по загрузке 1,18.
•
по второй группе предельных состояний (но деформациям)
определяются размеры фундаментов
и их
осадки,
которые не должны
превышать предельных нормативных значений; расчет производится по
расчетным усилиям при коэффициенте надежности по нагрузке равном 1.
Расчетные значения нагрузок определяются как нормативные значения,
умноженные на коэффициент надежности по нагрузке γf. Этот коэффициент
изменяет нормативное значение нагрузки в неблагоприятную сторону.
При проектировании оснований зданий и сооружений необходимо
учитывать следующие нагрузки:
а) вес конструкций зданий и сооружений;
б) вес оборудования;
в) вес и давление грунтов;
д) нагрузку на перекрытия или полы, устраиваемые по грунту в складских
помещениях, зернохранилищах, библиотеках и т.п.;
е) нагрузки на перекрытия в помещениях жилых и общественных зданий;
ж) вес людей, ремонтных материалов;
з) нагрузки,
возникающие
при
изготовлении,
перевозке
и
возведении
строительных конструкций, при монтаже и перестановке оборудования, а также
нагрузки от веса временно складируемых на строительстве конструкций и
материалов;
к) снеговые нагрузки;
л) ветровые нагрузки.
В зависимости от продолжительности действия перечисленные нагрузки
подразделяются
на
постоянные
и
временные.
В
некоторых
случаях,
одновременно с постоянными и временными нагрузками учитываются особые
нагрузки, к которым относятся:
а) сейсмические и взрывные воздействия;
37
б) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса,
временной неисправностью оборудования;
в) воздействия неравномерных деформаций оснований, сопровождающиеся
изменением структуры грунта (например, деформации просадочных и
набухающих грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при
оттаивании).
Нормативные нагрузки подсчитываются в соответствии со СНиП [3] как
средние значения без учета их перераспределения надфундаментными
конструкциями. Возможные отклонения от этих значений учитываются
умножением нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке
γf. Коэффициент надежности при расчете по деформациям принимается γf = 1.
Коэффициент надежности по нагрузке при расчетах на прочность и
устойчивость обычно больше единицы, однако в тех случаях, когда
уменьшение нагрузки будет уменьшать также устойчивость сооружения,
например при подсчете вертикальных удерживающих сил при сдвиге, он
должен быть менее единицы. Для бетонных плит сборного домостроения γf
принимается 1,2; для грунтов в природном залегании 1,1; для насыпных
грунтов 1,15. Для нагрузок, удерживающих от опрокидывания и сдвига,
рекомендуется принимать γf = 0,9.
К постоянным нагрузкам относятся те, которые действуют в течение
всего срока существования и службы здания или сооружения. К постоянным
относятся нагрузки в виде веса частей сооружения, в том числе и ограждающих
конструк
Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные.
К длительным относятся вес временных перегородок, вес стационарного
оборудования, давление сыпучих тел и жидкостей в емкостях, нагрузка на
перекрытия от складируемых материалов, нагрузки от веса людей, снеговые
нагрузки в северных районах, «воздействия» от деформаций оснований, когда
не происходит коренного изменения структуры грунта или оттаивания
вечномерзлого грунта.
38
К кратковременно действующим нагрузкам относятся нагрузки от
подвижного оборудования и транспорта, ветровые нагрузки и др. Все эти виды
нагрузок регламентируются главой СНиП [3].
К особым относятся сейсмические воздействия, действия взрывов,
нагрузки от резкого нарушения технологического процесса, вызванные
временными
неисправностями
оборудования,
а
также
нагрузки
из-за
деформаций оснований, сопровождающихся коренным изменением структуры
грунта (например, при замачивании просадочных грунтов, вследствие
образования карста) и др.
Различают два сочетания нагрузок: основные и особые. В основные
и кратковременные. Особые сочетания включают все нагрузки, входящие в
основные сочетания, а также одну из особых нагрузок. В особом сочетании для
временных нагрузок, если их несколько, вводят понижающий коэффициент.
В том случае, если учитываются сочетания, включающие постоянные и
не менее двух кратковременных нагрузок (например, вес людей и нагрузки от
мостовых и подвесных кранов), расчетные значения временных нагрузок
необходимо умножать на коэффициенты сочетаний: в основных сочетаниях для
длительных нагрузок на 0,95, для кратковременных на 0,9; в особых сочетаниях
для длительных нагрузок на 0,95, для кратковременных на 0,8.
При расчетах оснований следует учитывать нагрузки от соседних
фундаментов, складируемого материала и оборудования, которые будут
размещаться вблизи рассчитываемого фундамента.
Расчет оснований по деформации должен производиться на основное
сочетание нагрузок. По несущей способности расчет производится на основное
особое сочетание. При этом нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки,
которые согласно СНиП по нагрузкам и воздействиям могут относиться как к
длительным, так и кратковременным, при расчете оснований по несущей
39
длительными. Нагрузка от подвижного подъемно-транспортного оборудования
в обоих случаях считается кратковременной.
При проектировании фундаментов двух- и более этажных зданий полные
значения нормативных нагрузок от веса перекрытий следует снижать
умножением на коэффициент сочетания:
а) для квартир жилых зданий, общежитий и гостиниц, палат, больниц и
санаториев, служебных помещений, бытовых помещений промышленных
зданий:
(14)
б) для читальных, обеденных, торговых залов, участков обслуживания и
ремонта оборудования в производственных помещениях:
(15)
(16)
где A
A > A1 = 9 м2 к
формуле (14);
(17)
A > A2 = 36 м2 к формуле (15); n – общее число перекрытий, от которых
рассчитываются нагрузки на фундамент.
3. 2. 2. Определение грузовой площади и нагрузок на фундаменты
Грузовая площадь определяется различно для жилых, общественных и
производственных зданий.
На рисунке 11 показаны две грузовые площади для сбора нагрузок на
ленточные фундаменты внутренней (Б) и внешней (А) стен жилого дома.
Для внутренней несущей стены ширина грузовой площади принимается
равной 100 см, а длина определяется половиной расстояния в чистоте между
стенами в направлении длинной стороны плиты перекрытия. Из-за наличия
40
оконных проемов в наружных стенах ширина грузовой площади принимается
В отличие от жилых зданий с несущими наружными и внутренними
стенами в промышленных зданиях несущий каркас выполняется из колонн,
ригелей и плит перекрытия. Поэтому при сборе нагрузок на отдельно стоящие
фундаменты под колонны ширина и длина грузовой площади определяются
половиной расстояния между соседними осями здания.
б)
a)
Рис.11. Схема сбора нагрузок на фундаменты:
а) схема для подсчета нагрузок от конструкций;
б) схема для подсчета нагрузок на фундаменты: 1 - для внутренней стены; 2 для наружной стены
Пример выполнения сбора нагрузок на фундамент крайней стены
Сбор нагрузок на фундамент предлагается оформить в виде таблиц по
нижеприведенным формам.
41
Таблица 9
Постоянные нормативные нагрузки
№ п/п
Наименование нагрузки
Величина нагрузки
1
2
От веса покрытия
От веса чердачного перекрытия с
утеплителем
От веса междуэтажного
перекрытия
От веса перегородки
От веса карниза
От веса 1 м2 кирпичной кладки
(или от веса стены из
др.материала)
2,54 кН/м2
3,8 кН/м2
3
4
5
6
3,6 кН/м2
1,0 кН/м2
2,0 кН/м2
18 кН/м2
Таблица 10
Временные нормативные нагрузки
№
п/п
1
2
3
Наименование нагрузки
Величина нагрузки кН/м2
Снеговая на 1 м2 горизонтальной
проекции кровли ( IV снеговой район)
На 1 м2 проекции чердачного перекрытия
На 1 м2 проекции междуэтажного
перекрытия
1.5 кН/м2
0.75 кН/м2
1,5 кН/м2
Определяем грузовую площадь (см. рис.11 б):
А = 2,8 ·2,53 = 7,1 м2,
где: 2,53 - расстояние между осями,
2,8 - половина расстояния в чистоте между стенами.
Нормативные нагрузки на 2,53 м длины фундамента на уровне
спланированной отметки земли (кН):
Таблица 11
Постоянные нагрузки
№
п\п
1
2
Наименование
нагрузки
Вес покрытия
Вес чердачного
покрытия с
утеплителем
Расчет нагрузки
2,54*7,1
3,8*7,1
42
Величина
нагрузки кН
18,03
26,98
3
4
5
Вес n междуэтажных
перекрытий
Вес перегородок на n
этажах
Вес карниза и стены
выше чердачного
перекрытия
6
Вес цоколя и стены
первого этажа за
вычетом веса оконных
проемов на длине,
равной расстоянию
между осями оконных
проемов
7
Вес стены со второго
этажа и выше за
вычетом веса оконных
проемов
8
9
Вес от лоджий
Итого постоянная
нагрузка
3,6*7,1* n
25,56 * n
1*7,1* n
7,1 * n
(Нормативная нагрузка на
карниз + толщина стены
*высота * нормативная нагрузка
кирпичной кладки) * расстояние
между осями оконных проемов
(2+0,64*1,4*18)*2,53
Толщина стены первого этажа
*(высота цоколя и первого
этажа * расстояние между
осями оконных проемов –
высота оконного проема * длина
оконного проема) *
нормативная нагрузка
кирпичной кладки
0,64* [(2,5+2,5)*2,53 1,51*2,1]*18
45,86
Толщина стены * (высота этажа
* расстояние между осями
оконных проемов - высота
оконного проема * длина
оконного проема) * количество
этажей * нормативная нагрузка
кладки
0,64* [ (2,5*2,53-1,51*2,1)*n*18
=
0,64 *3,155*n*18
10,6*n
109,19
36,34*n
10,6*n
∑
(кН)
Таблица 12
Временные нагрузки
1
2
3
Наименование
нагрузки
Снеговая
На чердачное
перекрытие
На n междуэтажных
Нормативная нагрузка
1,5*7,1
0,7*7,1
Величина
нагрузки кН
10,65
4,97
1,5*7,1*n*n1
10,65*n*n1
43
4
перекрытий с учетом
коэффициента
n1 = 0,3+0,6/n, где:
n - число перекрытий,
от которых нагрузка
передается
на
основание
Итого временная
нагрузка
∑
(кН)
Нормативное усилие на обрезе фундамента от вышележащих конструкций NоII
определяется как сумма постоянной и временной нагрузок.
Фундамент передает усилия от веса вышележащих конструкций и
воспринимаемых ими нагрузок на основание. Прочность конструкций наземной
части зданий обеспечивается прочностью и долговечностью фундамента, его
устойчивостью, наличием конструктивных мероприятий, ограничивающих
осадки основания в пределах, допустимых СНиП 2.02.01-83, экономичной и
целесообразной формой и конструкцией фундаментов.
Проектирование фундамента заключается в выборе его типа, размеров и
способов устройства. Для этого необходимо определить: материал и
конструкцию фундамента; глубину его заложения; давление под подошвой
фундамента; осадки фундамента и способ выполнения работ по подземной
части зданий. Кроме того, следует проверить устойчивость фундамента.
3.2.3. Определение глубины заложения подошвы фундамента
Глубина заложения фундаментов является одним из основных факторов,
обеспечивающих
необходимую
несущую
основания,
превышающие
предельных
не
способность
по
и
деформации
условиям
нормальной
эксплуатации.
Глубина заложения фундаментов определяется:
а) конструктивными особенностями зданий или сооружений (например,
жилое здание с подвалом или без него), нагрузок и воздействий на их
фундаменты;
44
б) глубиной заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также
глубиной прокладки инженерных коммуникаций;
в) инженерно-геологическими
условиями
площадки
строительства
(физико-механические свойства грунтов, характер напластования и пр.);
г) гидрогеологическими
условиями
площадки
и
возможными
их
изменениями в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений;
д) глубиной сезонного промерзания грунтов.
Глубина заложения фундаментов исчисляется от поверхности планировки
(рис.12,а) или пола подвала до подошвы фундамента (рис.12,б), а при наличии
бетонной подготовки - до ее низа.
При выборе глубины заложения фундаментов рекомендуется [1]:
а) предусматривать заглубление фундаментов в несущий слой грунта не
менее чем на 10-15 см;
б) избегать наличия под подошвой фундамента слоя грунта, если его
прочностные
и
деформационные
свойства
значительно
хуже
свойств
подстилающего слоя грунта;
в) стремиться, если это возможно, закладывать фундаменты выше уровня
грунтовых вод для исключения необходимости применения водопонижения
при производстве работ.
Рисунок 12. Схемы к определению глубины заложения фундаментов d:
а - фундамент внешней оси здания; б - фундамент внутри здания
Нормативная глубина сезонного промерзания грунта dfn принимается
равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания
45
грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) под открытой,
оголенной от снега поверхностью горизонтальной площадки при уровне
грунтовых вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.
При отсутствии данных многолетних наблюдений нормативную глубину
сезонного промерзания грунтов определяют на основе теплотехнических
расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее
нормативное значение определяется по формуле:
dfn = d0× M t ,
(18)
где d0- глубина промерзания при Мt = 1ºС, м, принимаемая: для суглинков и
глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; песков гравелистых,
крупных и средней крупности - 0,30; крупнообломочных грунтов - 0,34;
Mt - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений
среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, ° C,
принимаемых
по
СНиП
[8]
или
по
результатам
наблюдений
гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях.
За неимением этих данных нормативную глубину сезонного промерзания
можно определить по схематической карте (рис.13), где даны изолинии
нормативных глубин промерзания для суглинков, т.е. при d0= 0,23 м. При
наличии в зоне промерзания других грунтов значение dfn, найденное по карте,
умножается
на
отношение
d0/0,23
(где
d0
соответствует
грунтам
рассматриваемой строительной площадки).
Расчетная глубина сезонного промерзания грунта определяется по
формуле:
d f kh d fn ,
(19)
где kh - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения и
принимаемый для отапливаемых зданий в зависимости от конструкции полов и
температуры внутри помещений, а для наружных и внутренних фундаментов
неотапливаемых зданий kh = 1,1 (кроме районов с отрицательной среднегодовой
температурой).
46
Рисунок 13. Карта нормативных значений глубины промерзания d0, см
Таблица 13
Особенности сооружения
Без подвала, устраиваемые:
Коэффициент
кh
при
расчетной
среднесуточной температуре воздуха в
помещении, примыкающем к наружным
фундаментам, Сº
0
5
10
15
20 и >
- по грунту
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
- на лагах по грунту
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
- по утепленному цокольному
1,0
1,0
0,9
0,8
0,7
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
перекрытию
- с подвалом или техническим
подпольем
Примечания:
1.Приведенные в таблице значения коэффициента kh относятся к
фундаментам, у которых расстояние от внешней грани стены до края
фундамента аf < 0,5 м; если аf ≥1,5 м, значения коэффициента kh повышаются на
47
0,1, но не более, чем до значения kh= 1; при промежуточном значении аf
значения kh определяются по интерполяции.
2. К помещениям, примыкающим к наружным фундаментам, относятся
подвалы и технические подполья, а при их отсутствии – помещения первого
этажа.
3. При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент kh
принимается с округлением до ближайшего меньшего значения в таблице.
В скальных, крупнообломочных с песчаным заполнителем грунтах,
песках гравелистых, крупных и средней крупности глубина заложения
фундаментов назначается произвольно, так как в этих грунтах при замерзании
не возникает сил морозного пучения.
3.2.4. Пример 6. Определение глубины заложения подошвы
фундамента
Требуется определить глубину заложения подошвы фундамента 5-ти
этажного дома с техническим подпольем на участке строительства, инженерногеологическая ситуация которого представлена на рисунке 9. Здание строится в
Нижнем Новгороде.
Принимая во внимание наличие технического подполья под всем зданием,
равномерное загружение всех фундаментов нагрузкой от здания, отсутствие
примыкающих зданий, спокойного характера напластований отдельных видов
грунтов, отсутствие уровней грунтовых вод и верховодки, в данном случае при
определении глубины заложения фундаментов необходимо учесть особо
важный фактор – глубину сезонного промерзания грунтов.
где Mt – безразмерный коэффициент численно равный сумме абсолютных
значений среднемесячных отрицательных температур за зиму и принимается
для Нижнего Новгорода равным 420С;
d0 – величина, принимаемая равной 0,3 для песков средней крупности.
Определяем глубину промерзания грунта:
dfn = d0× M t ,
48
где Mt – безразмерный коэффициент численно равный сумме абсолютных
значений среднемесячных отрицательных температур за зиму (принимается для
Нижнего Новгорода равным 420С);
.d0 – величина, принимаемая равной 0,3 для песков средней крупности.
dfn = 0,3 ·√42 = 0,3 · 6,48 =1,94 м
Расчетная глубина сезонного промерзания грунта:
d f kh d fn = 0,7 · 1,94 = 1,36 м.
Из
конструктивных
соображений
принимаем
глубину
заложения
подошвы фундамента равной 2,5 м от уровня планировки (рис. 14).
Анализ инженерно-геологических условий площадки строительства и
конструктивных решений здания позволяет сделать вывод, что принятая
глубина заложения фундамента достаточна.
3.2.5. Пример 7. Определение размеров подошвы фундаментов
Определить
основные
размеры
ленточного
сборного
фундамента
наружной стены шестиэтажного жилого дома (рис. 11), возводимого в Москве.
Здание имеет подвал, пол которого на 1,3 м ниже уровня земли. Пол бетонный с
цементной стяжкой, общая толщина конструкций пола 0,1 м. Планировочная
отметка совпадает с природным рельефом. Под подошвой фундамента песок
средней крупности γ = 18,1 кН/м3; φ = 26º; Il = 0; С = 0 кПа; R0 = 400кПа
Решение.
Расчетные вертикальные нагрузки на 1 м наружной стены:
- постоянная Nп = 244 кН/м,
- временная Nв = 18,4 кН/м.
Обе нагрузки, по указаниям норм проектирования каменных конструкций,
считаем приложенными в центре тяжести подошвы фундамента.
Горизонтальную силу от давления грунта на стену подвала в расчете не
учитываем, она воспринимается конструкциями перекрытий и полом подвала.
Выбираем глубину заложения фундамента. По конструктивным условиям
фундамент должен быть заложен на 0,2 – 0,5 м ниже пола в подвале. При
49
толщине фундаментной подушки 0,3 м глубина заложения 1,3 + 0,3 = 1,6 м.
Других конструктивных требований к фундаменту не предъявляется.
Ширина подошвы ленточного фундамента определяется по формуле:
b
n011
R mg d
,м,
(20)
где noII – расчетное усилие по 2-му предельному состоянию на 1 п.м.
ленточного фундамента, приложенное к верхнему обрезу (при коэффициенте
надежности по нагрузке γf = 1), кН.
R – расчетное сопротивление грунта основания: подставляется R0 для
предварительного определения размеров фундамента, кПа;
γmg – средний удельный вес материала фундамента и грунта на его уступах,
принимаемый равным 20 кН/м3;
d – глубина заложения фундамента от уровня планировки, м.
Расчетное сопротивление грунта соответствует такому давлению под
подошвой
фундамента,
при
котором
зоны
пластических
деформаций
развиваются на глубину z = b/4. На графике зависимости осадка-нагрузка это
давление находится в начале фазы образования областей сдвига. Из решения
Н.П.Пузыревского при z = b/4 получено следующее выражение для расчетного
сопротивления грунта основания:
(21)
где γc1 и γc2
– коэффициенты условий работы, зависящие от вида грунта
основания и жесткости сооружения;
k
k = 1, если прочностные характеристики
грунта φ и c определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они
приняты по таблице СНиП [1] на основании физических характеристик
грунтов;
Mγ , Mq, Mc
– коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения
грунта;
50
kz
– коэффициент, принимаемый при b < 10 м kz = 1, а при b ≥ 10 м
kz = z0/ b + 0,2 (здесь z0= 8 м);
b
γII
– ширина подошвы фундамента;
– осредненное расчетное значение удельного веса грунтов,
залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод γII
определяется с учетом взвешивающего действия воды); γIII
грунта, находящегося выше подошвы фундамента;
cII
– расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего
непосредственно под подошвой фундамента;
d1
– глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от
уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и
внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:
(22)
где hs –
подвала;
hcf
–
толщина конструкции пола подвала;
γcf
–
расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала.
Величина db
–
глубина подвала –
ние от уровня планировки до
пола подвала (для сооружений с подвалом B ≤ 20 м и глубиной свыше 2 м
принимается db = 2 м, при ширине подвала B > 20 м считается db = 0).
Если d1>d(где d
d1принимается
равным d, а db = 0 при любой форме фундаментов в плане.
Ширина подошвы фундамента определяется методом последовательных
приближений.
Предварительно ширина подошвы определится:
b = (244 + 18.4) / 400 - 20·1,6 = 0,71 м.
Однако значение расчетного сопротивления грунта R0 является условным,
относится к фундаментам, имеющим ширину b = 1 м и глубину заложения
51
d = 2 м и не учитывающим прочностные характеристики грунта. Поэтому
производится уточнение значения R с учетом конструктивных особенностей
фундамента по формуле:
R
c1 c 2
K
M k b M d M 1 d M C , (21)
z
11
g
1
11
g
b
11
c
11
где γс1 и γс2 – коэффициенты условий работы, принимаемые по указаниям
(табл. п.3.3) ; γс1 = 1,4, γс2 = 1,2.
Кz = 1 – коэффициент при b <10 м;
К = 1 – коэффициент, принимаемый по прочностным характеристикам
грунта, если они определены непосредственно испытанием.
Мс, Мγ, Мg – коэффициенты, принимаемые в зависимости от расчетного
значения угла внутреннего трения; при φ = 260 – Мс = 6,9, Мγ = 0,84, Мq = 4,37;
γ11 и γ`11I
- осредненное расчетное значение удельного веса грунтов
залегающих соответственно ниже и выше подошвы фундамента γ11 =18,1 кН/м3,
γ`11I = 17,55 кН/м3.
С11 = 0 кПа – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего
непосредственно под подошвой фундамента (песок);
d1 – приведенная глубина заложения фундамента от пола подвала,
определяемая по формуле:
d1 hs hcf
cf
,
11
где hs –толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала
равная 0,5 м;
hcf – толщина конструкции пола – 0,08 м;
γcf = 22 кН/м3 – расчетное значение удельного веса конструкции пола выше
подвала;
db = 1,3 м – глубина подвала – расстояние от уровня планировки до пола
подвала;
d1 = 0,5 + 0,08· 22 /17,3 = 0,6 м
52
Расчетное сопротивление грунта основания при b = 0,71 м и d1 = 0,6 м
определится:
R=1,4×1,2×(0,84×0,71×18,1+4,37×0,6×17,355+(4,37-1)×1,3×17,55+0 = 224 кПа
Уточняем ширину подошвы фундамента:
b = (244 + 18.4) / 224 - 20·1,6 = 1,36 м .
Так как разность двух значений превышает 10%, то уточнение необходимо
продолжить.
Расчетное сопротивление грунта основания при b = 1,36 м определится:
R=1,4×1,2×(0,84×1,36×18,1+4,37×0,6×17,355+(4,37-1)×1,3×17,55+0 = 241 кПа.
Тогда:
b = (244 + 18.4) / 241 - 20·1,6 = 1,3 м .
Так как разница последних двух значений менее 10%, дальнейшее
уточнение не делается.
Подбор
сборных
стеновых
панелей
и
фундаментных
блоков
производится по ГОСТ 13580-68 (приложение 4 настоящих указаний).
Принимаем ширину 1,4 м, которая соответствует размеру фундаментной
подушки из железобетонных плит Ф 14.(переделать рисунок 14 – 2 блока и
стена)
Рис. 14. Конструирование фундамента
Проверка давления на грунт под подошвой фундамента производится по
формуле:
53
p11
n11 n011 G fn Ggn
R,
A
A
(22)
где р11 – давление под подошвой фундамента, кПа;
Gfn – нагрузка от 1 м фундамента:
- от подушки при ее массе 2,18 т……………….
10× 2.18 : 2,38 = 9,2 кН;
- от блоков стены (2 шт.)при массе одного блока 1,96 т …2 (10×1,96 : 2,38) =
16,4 кН;
- от кирпичной стены высотой 0,3 м………………….0,3×0,64×1×10×1,8 =
16,9 кН
Gfn= 9,2 + 16,4 + 16,9 =42,5 кН.
Ggn – вес грунта с одной стороны обреза фундамента, определяемый как
произведение удельного веса грунта (18 кН/м3) и объема грунта равного 0,4×1,5
=0,6:
Ggn=18×0,6 = 10,8 кН.
А – площадь 1 п.м. подошвы фундамента, принятых размеров.
р11 = (244+18,4 + 42,5 + 10,8) / 1,4 = 225,5 кПа.
Тогда:
р11 = 225,5 кПа < R = 241 кПа.
Следовательно, принятая ширина подошвы фундамента достаточна.
3.3. Вопросы для самоконтроля
54
ГЛАВА IV. Расчет оснований фундаментов мелкого заложения по
деформациям
4.1. Основные теоретические положения
Целью расчета оснований по деформациям является ограничение
абсолютных
и
относительных
перемещений
фундаментов,
а
также
надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется
нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность
вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, прогибов.
Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия:
(23)
где s – совместная деформация основания и сооружения, определяемая
расчетом;
su
– предельное значение совместной деформации основания и
сооружения.
Деформации оснований подразделяются на:
– осадки
– деформации, происходящие в результате уплотнения
грунта под воздействием внешних нагрузок и не сопровождающиеся коренным
изменением его структуры;
–
– деформации, происходящие в результате уплотнения и
сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта под воздействием
как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных
факторов (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в
замершем грунте и др.);
– подъемы и осадки, связанные с изменением объема некоторых грунтов
при изменении их влажности или воздействии на них химических веществ
(набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта
(морозное пучение и оттаивание грунта);
–
–
деформации
земной
поверхности,
вызываемые
разработкой полезных ископаемых, понижением уровня грунтовых вод,
проявлением карста;
55
–
– деформации, связанные с действием
горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных конструкций,
подпорные стены) или со значительными вертикальными перемещениями
поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса.
Наиболее опасны для конструкций зданий и сооружений неравномерные
деформации
основания,
которые
вызывают дополнительные
усилия
в
конструкциях. При этом, чем больше деформация, тем больше могут быть
усилия, которые при определенной их величине приводят к возникновению
трещин в конструкциях.
Основными причинами возникновения неравномерных деформаций
являются:
– неравномерная сжимаемость грунтов из-за их неоднородности,
выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев (рис.15);
Рис.15. Выклинивание разных по сжимаемости
пластов грунта под сооружением
– неодинаковая
нагрузка
на
фундаменты,
вынуждающая
предусматривать различные размеры их подошвы, а это при одной и той же
интенсивности давления на основание вызывает неравномерные осадки
уплотнения;
– неравномерное увлажнение просадочных и набухающих грунтов,
приводящее к различным деформациям (просадки или подъема фундаментов);
56
– неодновременное загружение фундаментов в процессе строительства
и
эксплуатации
зданий,
особенно
при
строительстве
зданий
вблизи
существующих;
– неравномерное распределение нагрузок на полы производственных
зданий, а также наличие различающейся пригрузки вблизи здания или
сооружения.
Расчет оснований по деформациям производится из условия совместной
работы сооружения и основания. При этом совместная деформация оценивается
следующими расчетными показателями, величины которых не должны
превышать их нормируемых значений:
– абсолютной осадкой основания отдельного фундамента s;
– средней осадкой основания сооружения ;
– относительной неравномерностью осадок двух фундаментов Δ s/L;
–– креном фундамента или сооружения в целом i;
– относительными прогибом или выгибом f/L
– отношением стрелы
прогиба или выгиба к длине однозначно изгибаемого участка сооружения;
–– кривизной изгибаемого участка сооружения 1/R;
– относительным углом закручивания сооружения
θ= Δβ / L;
– горизонтальным перемещением фундамента u.
Средняя осадка определяется по формуле
(24)
где si
– абсолютная осадка i-го фундамента с площадью подошвы Ai.
Предельные
значения
деформации
основания
определяются
с
использованием таблицы прил.4 СНиП [1], где приведены рекомендуемые
значения: относительной разности осадок Δ s/L, средней осадки основания и
крена фундамента i. Эти значения получены на основании многолетних
наблюдений
за
деформациями
зданий
конструктивной схемой.
57
и
сооружений
с
различной
Предельные деформации основания не зависят от грунтовых условий
строительной площадки, а зависят только от конструкции здания или
сооружения и его фундаментов. Чем выше жесткость здания, тем выше
допускаемые
предельные
значения
деформаций
основания.
Если
для
производственных и жилых зданий с полным каркасом максимальная осадка
равна 8 см, то для сооружений элеваторов из железобетонных конструкций на
монолитной плите средняя осадка равна 40 см. Это объясняется тем, что
элеваторы
и
дымовые
трубы
обладают
большой
способностью
перераспределять усилия, возникающие при неравномерной деформации
основания.
Согласно п.6 примечаний к таблице СНиП [1] (прил.4), где приведены
предельные
значения
деформации
основания,
допускается
принимать
предельные значения деформаций основания на основе опыта проектирования,
строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
Расчет деформации основания может быть выполнен с использованием
как аналитических, так и численных методов расчета. К аналитическим
методам относятся:
– метод элементарного послойного суммирования (методика расчета
изложена в прил.2 СНиП [1]);
– метод эквивалентного слоя грунта;
– метод линейно-деформируемого слоя.
В рассматриваемом примере используется расчетная схема основания в
виде линейно-деформируемого полупространства.
Совместная деформация основания и сооружения определяется методом
послойного суммирования осадок отдельных слоев в пределах сжимаемой
толщи основания по формуле:
n
zpi hi
i 1
Ei
S
,
(25)
где S – конечная осадка основания;
n – число слоев, на которое разделена сжимаемая толща основания Hc;
58
hi – толщина i-го слоя грунта;
Ei – модуль деформации i-го слоя грунта;
σzpi – среднее значение дополнительного вертикального нормального
напряжения в i-ом слое грунта;
β – безразмерный коэффициент, равный 0,8.
При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по
глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на
рисунке 16.
Рис.16. Схема распределения вертикальных напряжений:
DL
NL
природного рельефа; FL
WL
уровень подземных вод; ВС - нижняя граница сжимаемой толщи
Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы
фундамента σ
zp
фундамента, определяются по формуле:
(26)
где α
– коэффициент, принимаемый в зависимости от формы подошвы
фундамента и относительной глубины ζ = 2z / b;
– p0
из выражения p0
= p0 - σzg,0;
59
–p
– σzg,0
– вертикальное напряжение от собственного веса грунта на
уровне подошвы фундамента (при планировке срезкой принимается σzg,0 = γd,
при отсутствии планировки и планировке подсыпкой σzg,0
= γdn, где γ
удельный вес грунта, расположенного выше подошвы;
– d и dn
планировки DL и природного рельефа NL.
При подсчете осадок основание разбивается на отдельные элементарные
слои, сжатие которых определяется от дополнительного вертикального
нормального напряжения σzp, действующего по оси фундамента в середине
рассматриваемого слоя.
Суммирование по формуле проводится в пределах сжимаемой толщи
основания Hc, нижняя граница которой определяется равенством σzp = 0,2 σzg.
Если найденная нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с
модулем деформации E ≤ 5МПа, то нижняя граница сжимаемой толщи
определяется исходя из условия σzp = 0,1 σ zg .
4.2. Пример 8. Определение осадки основания
Определить методом послойного суммирования вероятную осадку
ленточного сборного фундамента под наружную стену здания.
Ширина фундамента b =1 м, глубина заложения подошвы фундамента d
=2,25 м. Среднее давление под подошвой фундамента Рср = 0,292 МПа. Данные о
строительной площадке приведены на рисунке 17. Длина возводимого здания L =
36 м.
60
Рис. 17. Инженерно-геологические условия площадки
1. Удельный вес грунтов, залегающих в основании фундамента:
γ1 = 0,0185 МН/м3 – песок пылеватый, средней плотности, влажный;
γ2 = 0,0195 МН/м3 – супесь в пластичном состоянии;
γ3 = 0,02 МН/м3 – песок мелкий, плотный, насыщенный водой
Удельный вес песка третьего слоя и суглинка четвертого слоя с учетом
взвешивающего действия воды находим по формуле:
γsb3 = (0,0262 – 0,01) / (1 + 0,598) = 0,0101 МН/м3
γsb4 = (0,0278 – 0,01) / (1 + 0,779) = 0,01 МН/м3
2. Строим эпюру вертикальных напряжений от собственного веса грунта –
эп. σzg. на глубине z от подошвы фундамента, его величина определится по
формуле:
zg 11 d n 11,i hi . (27)
По формуле (27) определяем ординаты эпюры вертикальных напряжений от
действия собственного веса грунта и вспомогательной эпюры 0,2 σzg:
на поверхности земли:
σzg = 0; 0,2 σzg = 0;
на уровне подошвы фундамента:
σzg0 = 0,0185-2,25 = 0,042 МПа; 0,2 σzgo = 0,008 МПа;
на контакте первого и второго слоев:
σzg1= 0,0185-3,6 = 0,067 МПа;
0,2 σzg1 =0,013 МПа;
на контакте второго и третьего слоев:
σzg 2 = 0,067+ 0,0195-1,7 = 0,1 МПа; 0,2 σzg 2 = 0,02 МПа;
в третьем слое на уровне грунтовых вод:
σzg3 = °,l +0,02-0,6 = 0,112 МПа; 0,2 σzg 3 = 0,022 МПа;
на контакте третьего и четвертого слоев с учетом взвешивающего действия
воды:
σzg 4 = 0,112+ 0,0101- 1 , 6 = 0,128 МПа; 0,2 σzg 4 = 0,026 МПа;
на подошве четвертого слоя:
61
σzg 5 = 0,128 + 0,01-3,4 = 0,162 МПа; 0,2 σzg 5 = 0,032 МПа.
Полученные значения ординат эпюры вертикальных напряжений и
вспомогательной эпюры перенесем на геологический разрез (рис. 18).
3. Определим дополнительное давление по подошве фундамента, которое
равно разности среднего давления и вертикальных напряжений от действия
собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:
σzp0 = p0 = 0,292 —0,042 = 0,250 МПа.
4. Строится эпюра дополнительного вертикального напряжения от
сооружения – эп. σzp. При этом дополнительное вертикальное напряжение на
глубине z от подошвы фундамента определяется по формуле:
zp p0
(28)
где α – коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от формы
подошвы фундамента и относительной глубины ξ = 2z/b.
Для построения эпюры дополнительного давления толща грунтов ниже
подошвы фундамента разбивается на элементарные слои толщиной hi < 0,4b.
hi < 0,4×1,0;
z – глубина залегания подошвы каждого элементарного слоя грунта, ниже
подошвы фундамента, для которого на расчетной схеме проставляются
соответствующие значения α и σzp. В целях сокращения вычислений примем
высоту элементарного слоя hi = 0,4 м.
Далее построим эпюру дополнительных напряжений (см. рис. 18) в
сжимаемой толще основания рассчитываемого фундамента, воспользовавшись
формулой (2.14) и табл. 1.9. Вычисления представим в табличной форме (табл.
2.6).
Грунт
z, м
m = 2z/b
α
zp p0
Песок пылеватый
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
1
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
1
0,881
0,642
0,447
0,374
0,306
0,258
0,250
0,221
0,161
0,119
0,094
0,077
0,065
Супесь пластичная
62
Е, МПа
15
17
2,8
Песок плотный
3,2
3,6
4,0
4,4
4,8
5,2
Суглинок
5,6
тугоплапластичный
6,0
4. Строится эпюра 0,2σzq.
5,6
6,4
7,2
8,0
8,8
9,6
10,4
11,2
12
0,233
0,196
0,175
0,158
0,144
0,132
0,121
0,112
0,104
0,056
0,049
0,044
0,04
0,036
0.033
0,03
0,028
0,026
32
30
5. Определяется глубина сжимаемой толщи; нижняя ее граница принимается
на глубине z = Hc, где выполняется условие: σzp = 0,2σzg ( точка пересечения
эпюры σzp и эпюры 0,2σzg ).
Согласно схеме, Hc = 600 см (рис. 19).
Рис. 19. Расчетная схема для определения осадки фундамента по методу
послойного суммирования
63
6. Определяется осадка основания, складывающаяся из осадок слоев грунта,
входящих в сжимаемую толщу. Проводится послойное их суммирование:
n
zpi hi
i 1
Ei
S
s = 0,8·0,4 (0,25+ 0,221 = 0,0213 м = 2,1 см.
4.3.
Вопросы для самоконтроля
64
ГЛАВА V. Расчет фундаментов на прочность
5.1. Классификация фундаментов и их конструирование
В современном строительстве значительное число фундаментов
устраивают
в
открытых
котлованах,
они
классифицируются
по
следующим признакам:
по материалу,
из
которого
их
изготавливают,
—
бетонные,
бутобетонные, из каменной кладки и железобетонные;
по условиям изготовления — монолитные и сборные; сборные
фундаменты
получили
широкое
распространение
как
наиболее
экономичные;
по условиям работы — жесткие, гибкие; жесткие воспринимают в
основном сжимающие напряжения, а при работе гибких фундаментов
образуются
деформации
изгиба; по
жесткой схеме, как правило,
проектируют фундаменты из каменной кладки, так как они плохо
работают
на
растяжение,
гибкие
фундаменты
изготавливают
из
железобетона;
по форме — ленточные,
которые выполняют из одиночных или
перекрестных лент под стены и колонны; отдельные, которые, как
правило, устраивают под колонны и столбы каркасных зданий, иногда
отдельные фундаменты при небольших нагрузках используют и под
стены бескаркасных зданий в виде столбчатых фундаментов; сплошные,
выполняемые под всем зданием в виде сплошных железобетонных плит,
как правило, в монолитном варианте;
по характеру нагружения
— центрально и внецентренно на-
груженные.
Конструкции фундаментов. Они зависят от типа возводимых зданий и
сооружений, их следует конструировать обязательно с учетом совместной
работы сооружения и грунтов основания. Наибольшее распространение
получили сборные фундаменты.
65
Под стены бескаркасных зданий применяют ленточные фундаменты,
состоящие из типовых блоков-подушек, укладываемых на песчаную
подготовку, на которые устанавливают типовые стеновые фундаментные
блоки. В некоторых случаях при относительно небольших нагрузках
устраивают прерывистые ленточные фундаменты.
Под колонны каркасных зданий устраивают отдельные сборные
фундаменты, представляющие собой цельные блоки, устанавливаемые в
котлованах на песчано-гравийную подготовку толщиной не менее 10 см.
Применение
монолитных
фундаментов
в
строительстве
ограничивается следующими факторами: значительные трудовые затраты
при возведении, незначительная оборачиваемость опалубки, трудность
обеспечения
твердения бетона в
зимний
период,
а
также более
длительный срок строительства по сравнению с монтажом сборных
фундаментов. Тем не менее, фундаменты сложного очертания, как
правило, возводят в монолитном варианте. Использование типовых
инвентарных
и
пневматических
конструкции
фундаментов
повышение
оборачиваемости
любой
опалубок
позволяет
конфигурации
опалубок,
а
и
получать
обеспечивает
применение
способов,
ускоряющих твердение бетона в зимний период, сокращает сроки
строительства.
В качестве материала фундаментов применяются бетон, железобетон, бут,
кирпич. Основными материалами для фундаментов являются железобетон и
бетон, которые применяются при устройстве всех видов фундаментов в
различных инженерно-геологических условиях.
Железобетонные фундаменты выполняются из бетона марки не ниже В15
с армированием горячекатаной арматурой из стали класса А-III.
Каменная кладка фундаментов из кирпича, бута и пустотелых блоков
предусматривается в конструкциях, работающих на сжатие, в основном для
ленточных фундаментов и стен подвалов.
66
Бутобетон и бетон применяются наиболее часто при устройстве
фундаментов в траншеях при их бетонировании в распор со стенками.
В
строительстве
применяются
бутовые,
бутобетонные
(в
бетон
втапливают бутовые камни в количестве 25-30 % объема кладки) и бетонные
фундаменты с уступами или наклонными гранями (рис. 20). Высота уступа hу
для бетона принимается обычно не менее 30 см, для бутобетона и бутовой
к
Рис. 20 . Отдельно стоящий столбчатый фундамент:
а - с наклонными боковыми гранями; б - с уступами
Положение боковой грани фундамента определяется углом жесткости α ,
при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения.
Угол жесткости, определяющий отношение между высотой h и шириной b
уступов, или наклон боковых граней (угол α ), зависит от марки бетона, бута,
кирпича и изменяется от 30 до 40градусов .
Бетонные, бутобетонные и каменные фундаменты устраивают, как
правило, в монолитном варианте и проектируют жесткими, поскольку
грунты не воспринимают растягивающих напряжений.
Различают следующие основные типы фундаментов мелкого заложения
(рис.21):
1. Ленточные фундаменты под стены и колонны.
2. Ленточные прерывистые фундаменты под стены.
3. Столбчатые фундаменты под стены.
67
Рис.21. Фундаменты мелкого заложения:
а - сборный ленточный, прерывистый; б, в, г,д - поперечные сечения ленточных
фундаментов под стены; е - ленточный монолитный под колонны; ж - фундамент из
перекрестных лент; з, к - отдельно стоящий из сборных столбов и рандбалок; л,м отдельно стоящий под колонны; н - коробчатый плитный; о - плоский плитный; п многоугольный плитный; р - плитный под колонны:
1 - отмостка; 2 - гидроизоляция; 3 - сборные бетонные стеновые блоки; 4 армированный пояс; 5 - подушка ленточного фундамента; 6 - стеновая ребристая
панель; 7 - подушка под колонну (столб); 8 - колонна (столб); 9 - рандбалка сборная; 10 колонна; 11 - железобетонная лента; 12 - железобетонная плита; 13 - бетонная
подготовка
68
4. Отдельно стоящие фундаменты под колонны.
5. Щелевые фундаменты.
6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах.
7. Сплошные фундаменты в виде железобетонных плит.
8. Коробчатые фундаменты.
Фундаменты в виде сплошных железобетонных плит (рис.21,н,о,п)
устраиваются под всем зданием или сооружением и представляют собой
плоскую, ребристую или коробчатую плиты (рис.22). В плане эти фундаменты
имеют прямоугольное, круглое или кольцевое очертания.
Рис.22. Плитные фундаменты:
а - со сборными стаканами; б - с монолитными стаканами;
в - ребристая плита; г - плита коробчатого сечения:
1 - верхняя рабочая сетка; 2 - нижняя рабочая сетка;3 - вертикальная
арматура
В отличие от рассмотренных ранее, сплошные фундаменты обладают
способностью изгибаться под действием внешних нагрузок. Поэтому сплошные
фундаменты армируются как в нижней, так и в верхней зонах сечения (рис. 22).
Армирование выполняется плоскими сварными сетками или отдельными
стержнями, которые укладываются на поддерживающие каркасы. Данный тип
фундаментов имеет наибольшее преимущество при слабых грунтах, так как эти
фундаменты нечувствительны к неравномерным осадкам.
69
5.2.Расчет железобетонных фундаментов
Ленточные и отдельные железобетонные фундаменты под колонны и
столбы зданий следует рассчитывать, как гибкие конструкции на упругом
основании. При этом допускают, что давление по подошве фундамента
распределяется по линейному закону, хотя такое предположение не совсем
точно соответствует работе гибких фундаментов, однако для ленточных и
отдельных фундаментов оно не вносит существенных погрешностей, позволяя
использовать простые расчетные зависимости.
Допущение о линейном распределении давления по подошве фундамента
позволяет определять его основные размеры по методике, изложенной в
предыдущем параграфе.
После подбора размеров подошвы фундамента по II группе предельных
состояний приступают к расчету самого фундамента по I и II группам
предельных состояний. Цель расчета состоит в назначении требуемого
количества арматуры и выполнении условий прочности и трещиностойкости в
расчетных сечениях для выбранного класса бетона. В основу расчета положена
предпосылка о том, что внешние части (выносы) фундаментов работают под
действием давления грунта, как консоли, заделанные в массив фундамента.
Расчетными считаются сечения 1-1 по грани стены или колонны 2-2 — по
грани верхней ступени.
В соответствии с положением СНиП [9] расчет фундаментов на
прочность выполняется по расчетным усилиям с коэффициентом надежности
по загрузке γf > 1. При этом предусматривается проведение расчета на
прочность от действия поперечной силы и определения сечения арматуры.
Расчет начинают с определения напряжений под подошвой фундамента
от расчетных нагрузок:
Рсрр = (Nр + Gгрр + Gфр ) / Аф, (29)
где Nр – расчетная нагрузка на уровне спланированной отметки земли;
Gгрр и Gфр – расчетные нагрузки от веса соответственно грунта на обрезах
фундамента и самого фундамента.
70
В основу расчета фундамента положена предпосылка, что внешние части
фундамента под действием реактивного давления грунта работают подобно
консолям, заделанным в массиве фундамента, и их рассчитывают по этой схеме
в сечениях: I-I – по грани колонны (в случае ленточного фундамента по грани
стены); II-II – по грани верхней ступени (рис. 23).
Поперечная сила в сечениях I-I и II-II определяется по формулам:
QI = Рсрр ·b·(l - lк )/ 2;
(30)
QII = Рсрр ·b·(l – l1 )/ 2;
(31)
Рис. 23. Схема к расчету конструкции центрально нагруженного фундамента
а — вид сбоку; б — план; 1— пирамида продавливания; 2 — основание пирамиды продавливания
Расчет на действие поперечной силы не производят, если выполняются
условия:
QI ≤ φb3 ·Rbt ·b·ho;
(32)
QII ≤ φb3 ·Rbt ·b·ho1,
(33)
где φb3 – коэффициент, принимаемый для тяжелого и ячеистого бетонов,
равным 0,6;
Rbt – расчетное сопротивление бетона растяжению;
ho = h – а – рабочая высота фундамента; а – высота защитного слоя
бетона.
71
Если условия (32, 33) не выполняются, необходимо установить
поперечную арматуру, либо увеличить высоту уступов, либо повысить класс
бетона. В практике проектирования обычно прибегают к двум последним
способам.
Кроме условий (32, 33), должно выполняться условие, обеспечивающее
прочность по наклонному сечению нижней ступени фундамента из условия
восприятия поперечной силы Q бетоном:
Q = Рсрр ·[0,5 (l - lк ) - с]·b≤ 1,5 ·Rbt ·b·ho2 / с, (34)
где правую часть неравенства принимают равной не менее 0,6·Rbt ·b·ho и не
более 2,5·Rbt ·b·ho; с = 0,5·(l - lк - 2ho) – длина проекции рассматриваемого
наклонного сечения (рис. 23 а).
Расчет на продавливание выполняют по условию:
F ≤ φb· Rbt ·um·ho,
(35)
где F – расчетная продавливающая сила;
φb – коэффициент, принимаемый равным 1 для тяжелых бетонов;
Rbt – расчетное сопротивление бетона растяжению;
um– среднее арифметическое между периметрами верхнего и нижнего
оснований пирамиды продавливания в пределах полезной высоты фундамента
ho.
Для фундаментов с квадратной подошвой:
um = 2 (bк + lк + 2ho);
F =N – Рсрр ·А,
(36)
(37)
Где А = (lк + 2ho) (bк + 2ho) – площадь пирамиды продавливания;
Для фундаментов с прямоугольной подошвой:
um = 0,5 (bк + bн);
(38)
F = Рсрр ·А,
(39)
где А = 0,5·b·(l - lк - 2ho) – площадь заштрихованной части подошвы (рис. 23 б).
Армирование фундамента осуществляют по результатам расчета
нормальных сечений на действие изгибающих моментов в сечениях I-I и II-II
определяемых по следующим формулам:
72
МI = 0,125 Рсрр · (l - lк )2 ·b;
(40)
МII = 0,125 Рсрр · (l – l1 )2 ·b.
(41)
Сечение рабочей арматуры на всю ширину фундамента вычисляют по
формулам:
Аs1 = МI / 0,9 ho·Rs;
(42)
АsII = МII / 0,9 ho'·Rs,
(43)
где Rs – расчетное сопротивление арматуры растяжению.
Процент армирования в расчетном сечении фундамента должен быть не ниже
минимально допустимого процента армирования в изгибаемых элементах:
μ = (Аs /bh)·100% ≥ 0,5 %. (44)
Шаг рабочей арматуры принимают равным 100— 200 мм. Нерабочие
(конструктивные) стержни поперечной арматуры берут сечением не менее 10 %
сечения рабочей арматуры и устанавливают их с шагом 250— 300 мм, но не
более 350 мм. Высоту защитного слоя бетона устанавливают: для монолитных
фундаментов не менее 35 мм при наличии песчано-гравийной подготовки и не
менее 70 мм без нее; для сборных фундаментов — не менее 30 мм.
При расчете ленточного фундамента необходимо в формулах (29 — 35) и
(39) принять b = b1 = bн = 1 м.
5.3. Пример 9. Расчет центрально нагруженного фундамента на
прочность
Определить основные размеры и рассчитать конструкцию ленточного сборного
фундамента под наружную стену крупнопанельного жилого дома. Здание имеет
подвал на отметке - 2,3 м. Вертикальная нагрузка на уровне спланированной
отметки земли: нормативная N = 310 кН/м, расчетная Np = 352 кН.
Пол бетонный с цементной стяжкой, удельный вес конструкции пола
γcf = 0,022 МН/м3, толщина конструкции пола 0,1 м.
Высота здания H=40 м, длина L=30 м.
В основании фундамента до глубины h1 = l,7 м залегает слой песка
естественной плотности p1= 1980 кг/м3, а ниже этой отметки — слой глины с
73
показателем текучести JL=0,6, естественной плотностью р2=1850 кг/м3 и коэффициентом пористости е = 0,75. Мощность слоя 3,5 м. Уровень грунтовых вод
находится на глубине 6,5 м.
Рис.24. Конструкция фундамента
Решение. Конструкция фундамента показана на рис. 24. Глубина
заложения подошвы фундамента: d = 2,3+0,l+0,1+0,3 = 2,8 м.
Несущим слоем является глина, для которой по табл. ? находим расчетные
характеристики: φn=14° и сn=0,041 МПа, а по табл. ? — коэффициенты Мγ=0,29,
Мq=2,17 и Мс=4,69. Соотношение L/H = 30/40=0,75. По табл.
1.4
находим
коэффициенты γс1 = 1,1; γс2 = 1,0.Коэффициент k = 1,1, так как φII и сII
определены по табличным данным.
Удельный вес грунта первого и второго слоев равен соответственно:
γ1 = 10·1980 = 0,0198 МН/м3
γ2 = 10·1850 = 0,0185 МН/м3
Осредненный удельный вес грунтов, залегающих выше подошвы
фундамента, определяем по формуле:
γII' = (0,0198·1,7 + 0,0185 ·1,1) /(1,7 + 1,1) = 0,0192 МН/м3
Приведенная глубина заложения подошвы фундамента от уровня пола в
подвале по формуле:
d1 = 0,4 + 0,1 (0,022/ 0,0192) = 0,515 м.
74
Глубина подвала db=2,8—0,5=2,3 м.
Размеры подошвы фундамента определим графически.
Первый график R=f(b) строим с помощью формулы (21) по двум точкам:
при b=0
R1 = 1,1·1,0/1,1 ·[2,17·0,515·0,0192 + (2,17 — 1)·2,0· 0,0192 +
+ 4,69·0,041] = 0,262 МПа;
при b = 2м
R2 = 1,1·1,0/1,1 · [0,29·1·2·0,0185 + 2,17·0,515·0,0192 + (2,17— 1)
·2,3·0,0192 + 4,69·0,041] = 0,276 МПа.
Затем в формулу:
рср = N/Аф + β·γф ·d
подставим несколько
последовательно увеличивающихся
значений
b
и
постоянное значение βγфd= 0,02·2,8=0,056 МПа. В результате получим точки, по
которым построим график второй функции p=f(b):
при b = 1
р = 0,310/1·1+0,056 = 0,366 МПа;
при b = 1,5
р = 0,310/1,5·1 +0,056 = 0,263 МПа;
при b = 2,0
р = 0,310/2·1 + 0,056 = 0,211 МПа;
при b = 2,5
р = 0,310/2,5·1 + 0,056 = 0,18 МПа.
Полученные данные наносим на график, показанный на рис. 25. Точка
пересечения двух линий дает искомое значение b = 1,45 м. Примем ближайшую
ширину b =1,4 м, которая соответствует ширине железобетонной плиты марки
Ф14.
75
Рис. 25. График к примеру 9
Расчетное сопротивление грунта основания для принятой ширины подошвы
фундамента:
R = 1,1· 1,0/1,1 [0,29·1·1,4·0,0185 + 2,17·0,515·0,0192 +
+ (2,17 - 1) ·2,0·0,0192 + 4,69·0,041] = 0,273 МПа.
Вес 1 м фундаментной плиты:
Gф= 10·2180 /2,38 =0,0092 МН.
Вес стены подвала, состоящей из четырех блоков ФС6 и одного блока
ФСН6:
Gс= 4·10·1960 /2,38 + 10·490/1,18 = 0,037 МН.
Р — вес грунта на обрезе фундамента (рис. 22.):
Р = 0,0198·1,7·0,4+ 0,0185·0,8·0,4=0,0194 МН.
Среднее давление под подошвой фундамента:
Р ср = (0,310 + 0,0092 + 0,037 + 0,0194) /1,4· 1= 0,268 МПа.
Условие Р
ср
< R выполняется, так как 0,268 < 0,273, при этом
недонапряжение основания составляет 1,7% < 10%. Следовательно, размеры
фундамента подобраны верно.
Рассчитаем конструкцию фундамента по первой и второй группам
предельных состояний. В качестве материала фундамента выберем бетон класса
В15. Под подошвой фундамента предусмотрена песчано-гравийная подготовка,
76
поэтому высоту защитного слоя бетона примем равной а=3,5 см, тогда рабочая
высота сечения h0 = 0,3- 0,035 = 0,265 м.
Найдем расчетные нагрузки от веса фундамента и грунта на его обрезах,
принимая коэффициенты надежности по нагрузке в соответствии с требованиями
СНиП 2.01.07-85*:
Gфр = 1,1 (0,0092 + 0,037) = 0,0508 МН;
Gгрр = 1,2·0,0194 = 0,0233 МН.
Давление под подошвой фундамента от действия расчетных нагрузок по
формуле (29):
Рсрр=(0,352+0,0508+0,0233)/1,4·1=0,304МПа
Поперечная сила в сечении фундамента у грани стены по формулам (30,31):
Q = 0,304·1 (1,4 – 0,6) /2 = 0,12 МН.
Проверяем выполнение условий (32, 33), предварительно определив по
таблице … [СНиП] Rbt = 0,75 МПа:
0,12=0,6.0,75-1-0,265=0,12 МН.
Условие выполняется, следовательно, установка поперечной арматуры и
ее расчет не требуются.
Проверяем выполнение условия (34):
Q = 0,304 [0,5 (1,4 — 0,6)— 0,135] 1 = 0,081 < 1,5·0,75·1·0,2652/0,135 = 0,585
МН.
Условие выполняется.
Определяем расчетную продавливающую силу по формулам (38,39):
F = 0,304 (1,4 – 0,6 – 2 ·0,265) /2 = 0,082MH.
Из этих же формул um=0,5 (1 + 1) = 1 м.
Проверяем прочность фундамента на продавливание по условию (35):
0,082 < 1·0,75·1·0,265 = 0,198 МН.
Следовательно, прочность на продавливание обеспечена.
Изгибающий момент в сечении у грани стены по формулам
(40,41):
М = 0,125·0,304 ·(1,4 — 0,6)2·1 = 0,0243 МН·м.
77
В качестве рабочих стержней примем арматуру класса А-II с расчетным
сопротивлением Rs = 280 МПа (табл. V.4).
Определим требуемую площадь сечения арматуры на 1 м длины плиты
по формулам (42, 43):
Аs = 0,0243/0,9.0,265·280 = 0,00036 м2 = 3,6 см2.
По табл. V.5 принимаем пять стержней диаметром 10 мм из стали
класса А-II (5 Ø 10 А-II) с Аs = 3,93 см2. Шаг стержней и = 20 см (рис.24).
Площадь распределительной арматуры Asp = 0,1 · 3,93 = 0,393 см2.
В ленточном фундаменте на изгиб совместно работают две консоли,
поэтому
увеличим
ASp=0,786
см2,
вдвое
принимаем
площадь
пять
распределительной
стержней
диаметром
арматуры|
6
мм
из
стали класса A-I (5 Ø 6 A-I) с Asp = l,42 см2. Шаг распределительных стержней
u = 30 см.
.
Изгибающий момент от нормативной нагрузки у грани стены по
формулам (40,41):
М= 0,125·0,268(1,4 —0,6)2·1=0,021 МН-м.
По табл. V.3 и V.4 находим значения модулей упругости арматуры и
бетона: Еs=210000 МПа и Еb = 20500 МПа и определяем соотношение
n=210000/20500 =10,2.
Коэффициент армирования сечения:
μ1 = 3,93/30·100 = 0,0013 = 0,13% > 0,05%.
5.4. Вопросы для самоконтроля
1. Приведите классификацию фундаментов, возводимых в открытых котлованах.
2. Как назначают глубину заложения подошвы фундаментов, какие факторы
при этом учитывают?
3. Как подбирают размеры подошвы центрально нагруженного фундамента?
4. Приведите последовательность расчета центрального нагруженного
фундамента.
5. Как рассчитывают фундамент по I и I I группам предельных состояний?
6. Как назначают требуемое количество арматуры?
78
Литература
ОСНОВНАЯ
1. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты.– Л.: Стройиздат,
1988.
2. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышов
С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М: Издательство АСВ,
1994.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
3. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1999*.
4. СНиП 2. 02.03-85 Свайные фундаменты. – М.: Стройиздат, 1985.
5. ГОСТ 25100-95
Грунты. Классификация. – М.: Издательство стандартов,
1995.
6. ГОСТ
7.32-91
Отчет
о
научно-исследовательской
работе.
Структура и правила оформления. – М.: Издательство стандартов, 1991.
7. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. – М.: Стройиздат, 1987.
8. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. – М.: Стройиздат,
1983.
9. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. – М.: ЦИТП
Госстроя СССР, 1999.
10. СНиП
11.02.01-96
Инженерные изменения для строительства. Основные
положения. – М.: Стройиздат, 1997.
11. Руководство по выбору проектных решений фундаментов.
НИИОСП им. Н.М. Гсрсеванова Госстроя СССР, НИИЭС Госстроя
СССР, ЦНИИПпроект Госстроя СССР. – М.: Стройиздат, 1984.
12. Филиппов Р.Д. Нагрузки и усилия для расчета оснований и
фундаментов. Часть 1. – Горький.: ГИСИ, 1988.
13. Филиппов Р.Д. Конструирование и расчет отдельных фундаментов под
сборные колонны. – Горький.: ГИСИ, 1982.
14. СНиП П-22-81 Каменные и армокаменные конструкции. – М.: Стройиздат,
1999.
79
15. Филиппов Р.Д. Методические указания по конструированию и
расчету ростверков под стены. – Горький. ГИСИ, 1979.
16. Григорьев
Ю.С.
Правила
оформления
графической
части
курсовых и дипломных проектов. Часть 1. Общие требования. Горький;.
ГИСИ, 1989.
17. Основания,
фундаменты
и
подземные
сооружения.
Справочник
проектировщика / Под ред. Е.А. Сарогана, Ю.С. Трофименкова – М., 1985.
18. Основания
и
фундаменты.
Справочник
строителя.
/ Под
ред.
М.И. Смородинова, М., 1983.
19. Основания и фундаменты. Справочник строителя / Под ред. Г.И.Швецова М., Высшая Школа, 1991.
80
Приложение 1.
Графическое обозначение грунтов с учетом их литологии и инженерногеологических свойств (ГОСТ 33-21-76)
Табл. п.1.1.
Тип глинистого грунта
Обозначение
Консистенция грунта и её
индекс
Твердая - Т
Полутвердая - ПТ
Тугопластичная - ТП
Мягкопластичная - МП
Текучепластичная - ТКП
Текучая - ТК
Глина
Суглинок
Твердая - Т
Пластичная - ПЛ
Текучая - ТК
Супесь
ПРИМЕЧАНИЕ. Консистенция грунта указывается при помощи индекса на
его графическом обозначении.
Табл.п.1.2.
Тип песчаного грунта по
крупности зерен и его индекс
Обозначение
Песок пылеватый – П
Песок мелкий – М
Песок средний – С
Песок крупный – К
Песок гравелистый - Г
Плотность сложения
песчаного грунта и её
обозначение (индекс)
Рыхлый
Средней плотности
Плотный
ПРИМЕЧАНИЕ. Плотность сложения песчаного грунта указывают при
помощи индекса плотности, внутри которого вписывается
индекс, указывающий крупность зерен песчаного грунта.
Табл. п.1.3.
Тип крупнообломочного грунта и его индекс
Обозначение
Крупнообломочные окатанные грунты:
Гравий грунт – ГР
Галечниковый грунт - ГЛ
Крупнообломочные неокатанные грунты:
Деревянный грунт – Д
Щебенистый грунт - Щ
ПРИМЕЧАНИЕ. Наименование крупности грунта указывают при помощи
индекса на его графическом обозначении.
81
Табл. п.1.4.
Наименование грунта
Тип грунтовых условий
просадочности
Обозначение
Просадка от собственного
веса при замачивании:
До 5 см – I тип;
Свыше 5 см – II тип.
Просадочные грунты (лессы,
лессовидные суглинки)
ПРИМЕЧАНИЕ 1. Тип грунтовых условий по просадочности указывается на
графическом
обозначении
просадочного
грунта.
2. При известной величине просадки ее указывают (в см)
рядом с типом грунтовых условий, например I(3).
Литологические особенности
Обозначение
Заторфованность
Иловатость
Глиностость
Пылеватость
Песчанистость
ПРИМЕЧАНИЕ.
Генетические типы
грунтов
Графиские обозначения литологических особенностей
грунтов наносятся на графическое обозначение грунта с
частичным разряжением его штриховки.
Табл. п.1.6.
Обозначение
Генетические типы
грунтов
Обозначение
d
e
el
Почвеннорастительный слой
Покровные
pd
pz
Делювиальные
Элювиальные
Золовые
Ледниковые
Озерно-ледниковые
g
lg
Биогенные,
Органогенные
b
Флювиогляциальные
Пролювиальные
a
p
Хемогенные
Морские
h
m
ПРИМЕЧАНИЕ.
Геологический возраст
геохронологической схеме.
82
дается
согласно
принятой
Приложение 2
Классификационные характеристики грунтов (ГОСТ 25100-82)
Табл. п.2.1
Типы крупнообломочных и
песчаных грунтов
Распределение частиц по крупности в
% от веса сухого грунта
А. Крупнообломочные
Валунный грунт
(при преобладании неокатанных
частиц - глыбовый)
Галечниковый грунт
(при преобладании неокатанныхчастиц - щебенистый)
Гравийный грунт
(при преобладании неокатанныхчастиц - дресвяный)
масса частиц крупнее 200мм
более 50%
масса частиц крупнее 10мм
более 50%
масса частиц крупнее 2мм
более 50%
Б. Песчаные
Песок гравелистый
масса частиц крупнее 2мм более 25%
Песок крупный
масса частиц крупнее 0,5мм более 50%
Песок средней крупности
масса частиц крупнее 0,25мм более 50'%
Песок мелкий
масса частиц крупнее 0,1мм 75% и более
масса частиц крупнее 0,1 мм менее 75%
Песок пылеватый
ПРИМЕЧАНИЕ. Для установления наименования грунта по таблице п.2.1
последовательно суммируется % содержания частиц
исследуемого грунта: сначала - крупнее 200мм, затем - крупнее
10 мм, далее - крупнее 2мм и т.д. Наименование грунта
принимается по первому удовлетворяющему показателю в
порядке расположения наименований в табл. п.2.1.
Табл. п.2.2.
Тип крупнообломочных и песчаных грунтов по
степени влажности
Маловлажные
Влажные
Насыщенные водой
Степень влажность Sr
0<Sr≤0,5
0,5 <Sr≤0,8
0,8 < Sr ≤ 1
Табл.п.2.3.
Тип песчаных грунтов
Пески гравелистые, крупные и средней
крупности
Пески мелкие
Пески пылеватые
плотные
Плотность сложения
средней плотности
рыхлые
е<0,55
е < 0,60
е <0,60
0,55 ≤ е ≤0,70
0,60 ≤ е ≤0,75
0,60 ≤ е≤0,80
е >0,70
е > 0,75
е >0,80
83
Табл.п.2.4.
Тип пылевато-глинистых грунтов
Число пластичности Iр. %
Супеси
Суглинки
Глины
1 ≤Iр≤7
7≤Iр≤17
.Ip>17
Табл.п.2.5.
Консистенция пылевато-глинистых
грунтов
Супеси твердые
Показатель текучести IL
Супеси пластичные
0 ≤ IL ≤ 1
Супеси текучие
IL>1
Суглинки и глины твердые
IL<0
Суглинки и глины полутвердые
Суглинки и глины тугопластичные
Суглинки и глины мягкопластичные
Суглинки и глины текучепластичные
Суглинки и глины текучие
0≤ L≤0,25
0,25 ≤ IL≤0,50
0,50 <IL≤ 0,75
0,75<IL≤ 1
IL >l
IL< 0
Табл.п.2.6.
Разновидности лессовых грунтов
Относительная просадочность εsl
Непросадочные
Просадочиые
εsl <0,0l
εsl ≥0,01
Характеристики четвертичных песчаных грунтов региона в естественном
залегании (Нижегородской области)
Табл.2.7.
Плотность
Наименочастиц
вание грунтов грунта
Ps г/см
Плотность в
сухом
состояпни
pd г/см
Коэфф.
пористости
е
Удельное
Угол внутр.
сцепление
трення
С
Ф град
кПа
Модуль
деформации
Е Мпа
Песок сред,
крупности
2,65
1,46-1,85
1,68
0,48-0,74
0,65
0-3
1
28-39
35
16-52
30
Песок мелкий
2,66
1,42-1,80
1,61
0,52-0,80
0,70
0-4
2
25-37
30
11-45
23
Песок
пылеватый
2,67
1,38-1,72
1,55
0,58-0,86
0,75
0-6
3
21-33
26
7-25
11
Примечание. Таблица составлена по данным лабораторных и полевых
исследований грунтов Нижегород ТИСИЗ с учетом приложения
1 СНиП 2.02.01-83.
84
Характеристики четвертичных глинистых грунтов региона в естественном
залегании (Нижегородская область)
Табл.п.2.8.
Наименование
грунтов
Супесь
пластичная
Суглинок
твердый,
полутвердым
Суглинок
тугопластичный,
мягкопластичный
Суглинок с
примесью
|растительных
остатков
Глина
тугопластичная
Глина с
примесью
растительных
остатков
КоэффиУгол
Природ.
Удельное
Модуль
Плотность циент
внутр.
влаж-ть
сцепление
дефорР
пористотрения
W
С
мации
г/си
сти
ф
кПа
Е МПа
%
е
град
1,77-2,03 0,56-0,82
3-21
16-27 22
18-25 21
13*
1,92
0,70
13
Относит.
содерж.
растит,
остатков
Jom
-
17-37
23
1,73-2,01 0,62-0,91
1,87
0,77
17-23
21
17-21
18
5,8-15,3
12,0
-
22-42
28
1,68-2,00 0,69-1,03
1,90
0,80
16-23
18
15-20
16
3,5-13,0
10,0
-
25-60
36
1.64-1,97 0,73-1,15
1,83
0,92
12-32
20
11-27
18
2,8-14,0
7,5
0.06-0,10
0,07
21-39
30
1,74-1,96 0,70-1,05
1,86
0,89
U.O/
1,31,93 1,02-1,47
1,72
1.19
21-49
32
10-19
15
6,4-18,0
12,0
-
15-40
24
6-22
13
2,2-6,9
5,0
0,06-0,10
0,08
33-96
48
Примечание. Таблица составлена по данным лабораторных и полевых грунтов
Нижегород ТИСИЗ.
Характеристики биогенных грунтов региона в естественном залегании
(Нижегородской области).
Природная
Наименование
влажность
грунтов
W%
Слабозаторфованный
Среднезаторфованный
Сильнозаторфованный
Торф
Ил глинистый,
суглинистый
55-120
85
101-135
113
71-337
214
197-469
333
30-140
93
Плотность
частиц
грунта
ps
г/см
2,44
2,06
1,88
1,75
2,40
Плотность Коэффициент
Р
пористости
г/см
е
1,22-1,74
1,44
1,11-1,37
1.21
1,02-1,21
1.1
0,90-1,18
1.02
1,30-1,65
1,42
1,20-3,34
2.05
1,77-6,04
3,51
1,66-6,81
4.02
2,95-8,30
4,70
0,89-3,95
2.32
Модуль
деформации Е
МПа
1,5-4,3
2,6
0,9-2,6
1,8
0,8-2,0
1,2
0.5-3,0
0.7
-
Относит.
содерж.
растнт.
остатков
Jom
0,11-0,25
0,17
0,26-0,40
0.31
0,43-0,49
0,46
0,51-0,74
0,60
0,04-0,27
0,14
Примечание. Таблица составлена по данным лабораторных и полевых грунтов
Нижегород ТИСИЗ.
85
Нормативные значения показателей механических свойств намывных песков
региона (возраст 1 год после окончания намыва)
Табл.2.10
Тип намывных песков
Средней крупности
Мелкие
Значения показателей при коэффициенте
пористости:
0,5
0,55
0,65
0,75
0,8
5
4
2
1
38
37
34
29
27
45
41
32
16
9
6
5
3
2
37
35
32
28.
26
40
33
23
12
6
Показатели
С, кПа
Ф, град
Е, Мпа
С, кПа
Ф, град
Е, Мпа
Примечание.
1. Значения показателей механических свойств приведены по данным
Нижегород ТИСИЗ даны для песков маловлажных, не содержащих
прослоев и линз глинистых грунтов.
2. Для песков с повышенным содержанием пылеватой и глинистых
фракций (свыше 100%), а также для значения показателей определяются
лабораторными и полевыми исследованиями.
Приложение 3
Расчетные сопротивления Ro просадочных грунтов
Табл.п.3.4.
Ro, кПа (кгс/см), грунтов
Грунты
природного сложения с
плотностью в сухом
состоянии ρd, т/м
уплотненных с плотностью в
сухой состоянии ρd, т/и
1,35
1,55
1,60
1,70
Супеси
300(3)
150(1,5)
350(3,5)
180(1,8)
200 (2)
250 (2,5)
Суглинки
350 (3,5)
180(1,8)
400 (4)
200 (2)
250 (2,5)
300 (3)
Примечание. В числителе приведены значения Ro, относящиеся к
незамоченным просадочным грунтам со степенью влажности Sr ≤ 0,5; в
знаменателе – значение Ro, относящиеся к таким же грунтам с Sr ≤ 0,8, а также
к замоченным просадочным грунтам.
86
Расчетное сопротивление грунтов Ro (СНиП 2.02.01-83)
Табл.п.3.1.
Крупнообломочные грунты
Ro, кПа
Галечниковый (щебенистый)
с заполнителем:
песчаным
пылевато-глинистым при
показателе текучести: IL< 0,50
тоже при 0,50 <IL< 0,75
Гравийный (дресвяный) с заполнителем
песчаным
пылевато-глинистым при
показателе текучести: IL< 0,50
600
450
400
500
400
350
тоже при 0,50 < IL< 0,75
Песчаные
грунты
Ro, кПа, в зависимости от
плотности сложения
плотные
средней плотности
крупные
600
500
средней крупности
мелкие:
маловлажные
влажные и насыщенные водой
пылеватые:
маловлажные
влажные
500
400
400
300
300
200
300
200
250
150
насыщенные водой
150
100
Пылевато-глинистые грунты
Супеси
Суглинки
Глины
е
0,5
0,7
0,9
0,5
0,7
1,0
0,5
0,6
0,8
1,1
87
Ro, к Па, при показателе
текучести грунта
IL=0
IL=1
300
300
250
200
200
100
300
250
250
180
200
100
600
400
500
300
300
200
250
100
Коэффициенты Мγ, Мq, Мc при определении расчетного сопротивления грунта
основания
Табл.п.3.2.
φII
Коэффициенты
Мγ
Мq
Мс
0
0
1,00
3,14
2
4
б
8
10
12
14
16
18
20
22
0,03
0,06
0,10
0,14
0,18
0,23
0,29
0,36
0,43
0,51
0..61
1,12
1,25
1,39
1,55
1,73
1,94
2,17
2,43
2,72
3,06
3,44
3,32
3,51
3,71
3,93
4,17
4,42
4,69
5,00
5,31
5,66
6,04
φII
Коэффициенты
Мγ
Mq
Мс
24
0,72
3,87
6,45
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
45
0,84
0,98
1,15
1,34
1,55
1,81
2,11
2,46
2,88
3,38
3,66
4,37
4,93
5,59
6,34
7,22
8,24
9,44
10,85
12,51
14,50
15,64
6,90
7,40
7,95
8,55
9,22
9,97
10,80
11,73
12,79
13,98
14,64
Коэффициенты условия работы
Табл.п.3.3
коэфф.
γс1
Грунты
Крупнообломочные грунты с песчаным
заполнителем и песчаные грунты, кроме
мелких и пылеватых
Пески мелкие:
маловлажные и влажные
насыщенные водой
Пески пылеватые:
маловлажные и влажные
насыщенные, водой
Крупнообломочные грунты с глинистым
заполнителем и глинистые грунты с
показателем текучести грунта или
заполнителя IL ≤ 0,25
То же, 0,25 < IL ≤ 0,5
То же, при IL > 0,5
Коэффициент γс2 для зданий и
сооружений с жесткой
конструктивной схемой при
отношении длины здания
(сооружения), или его отсека к
высоте L/H, равном
4 и более
1,5 и менее
1,4
1,2
«1,4
1,3
1,25
1.1
1,1
1,0
1,0
1,3
1,2
1.2
1,2
1,1
1,0
1,0
1,2
1,2
1,2
1,0
1Л
1,1
1,1
1,0
1,0
1,0
1:0
Примечание:
1. К сооружениям с жесткой конструктивной схемой относятся сооружения, конструкции
которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформаций оснований, в том
числе за счет применения мероприятий, указанных в п.2.70 б.
2. Для зданий с гибкой конструктивной схемой значение коэффициент γс2 принимается
равным единице.
3. При промежуточных значениях L/H коэффициент γс2 определяется по интерполяции.
88
Приложение 4
Железобетонные плиты из тяжелого бетона для ленточных фундаментов (ГОСТ
13580-85)
Табл.п.4.1.
Размеры плиты, мм
Марка плиты
ФЛ 6. 24
ФЛ 6. 12
ФЛ 8. 24
ФЛ 8. 12
ФЛ 10. 30
ФЛ10.24
ФЛ 10. 12
ФЛ 10.8
ФЛ 12. 30
ФЛ 12.24
ФЛ 12.12
ФЛ 12. 8
ФЛ 14.30
ФЛ 14.24
ФЛ 14. 12
ФЛ 14.8
ФЛ 16. 30
ФЛ16.24
ФЛ 16. 12
ФЛ 16. 8
ФЛ 20. 30
ФЛ 20. 24
ФЛ 20. 12
ФЛ 20. 8
ФЛ 24. 30
ФЛ 24. 24
ФЛ24. 12
ФЛ 24. 8
ФЛ 28. 24
ФЛ 28. 12
ФЛ 28. 8
ФЛ 32. 12
ФЛ 32. 8
ширина
В
длина L
высота
Н
Масса
плиты
т
скос
х
у
2380
1,00
1180
0,52
2380
1,40
800
1180
0,69
200
200
2980
1,75
2380
1,50
1000
1180
0,75
780
0,50
2980
2,05
2380
1,8
300
1200
1180
0,87
780
0,57
2980
2,40
2380
2,10
1400
300
200
1180
1,00
780
0,69
2980
2,71
2380
2,50
1600
1180
1,20
780
0,80
2980
5,10
2380
4,05
2000
500
300
1180
2,40
780
1,60
2980
5,98
2380
4,75
2400
500
1180
2,80
780
1,90
2380
5,90
700
300
2800
1180
3,40
780
2,20
1180
4,00
3200
780
2,60
Примечание. Пример условного обозначения (марки) плиты шириной 1000мм, длиной
2380 мм, 2-й группы по несущей способности (на среднее давление 0,25 мПа при толщине
стены 160 мм):
ФЛ 10.24-2. В условиях воздействия агрессивных вод;
ФЛ 10.24-2-II (из бетона повышенной плотности) и
ФЛ 10.24-2-0 (из бетона особо плотного).
600
89
Группы железобетонных плит ленточных фундаментов (ГОСТ 13580-85)
Табл.п.4.2.
Ширина плиты, Толщина стены, мм не
мм
менее
600
Наиболее допускаемое давление на
основание, мПа, для грунтов по
несущей способности
1
2
3
4
0,45
160
300, 500
0,60
160
300
500
0,25
0,41
160
300
500
0,15
0,22
0,42
0,25
0,36
160
300
500
0,15
0,21
0.33
0,25
0,35
0,55
0,35
0,48
160
300
500
0,15
0,19
0,26
0,25
0,31
0.46
0.35
0,44
160
300
500
0,15
0,18
0,25
0,25
0,30
0,43
0,35
0,42
2000
160
300
500
0,15
0,17
0,22
0,25
0,29
0.37
0,35
0,40
0,52
0,45
0.52
0,60
2400
160
300
500
0,15
0,17
0,21
0,25
0,28
0,34
0,35
0,40
0,48
0,45
0,51
0,60
2800
160
300
500
0,15
0,16
0,19
0,25
0,27
0,32
0,35
0,39
0,45
0,45
0,50
0,59
3200
160
300
500
0,15
0,16
0,19
0,25
0,27
0,31
0,35
0,37
0,43
-
800
1000
1200
1400
1600
0,35
0,57
0,45
0,60
0,60
90
0,35
0,50
0,45
0,60
0,60
0,45
0,60
0,60
0,45
0,57
0,60
0,45
0,56
0.60
Блоки бетонные для стен подвалов (ГОСТ 13579-78)
Табл.п.4.3.
Класс
бетона по
прочности
на сжатие
Размеры блока, мм
Марка блока
Расход
материалов
Масса
блока
тс
ширина
бетон
сталь
высота h
м3
кг
в
ФБС 24.3.6-Т
300
0,406
0,97
1,46
ФБС 24.4.6-Т
400
0,503
1,30
2380
580
ФБС 24.5.6-Т
0,679
1,63
500
2,36
ФБС 24.6.6-Т
0,815
1,96
600
ФБС 12.4.6-Т
400
0,265
0,64
ФБС 12.5.6-Т
500
580
0,331
1,46
0,79
ФБС 12.6.6-Г
600
0,398
0,96
1180
400
0,127
0,31
ФБС 12.4.3-Т
280
0,74
500
В 7,5
0,159
0,38
ФБС 12.5.3-Т
600
0.191
0,46
ФБС 12.6.3-Т
0,146
0,35
300
ФБС 9.3.6 -Т
0,76
0,195
0,47
400
ФБС 9.4.6 -Т
0.244
0,59
500
ФБС 9.5.6 -Т
600
ФБС 9.6.6 -Т
0,293
1,46
0,70
880
580
ФБВ 9.4.6 -Т
400
0,161
0,39
ФБВ 9.5.6 -Т
500
0,202
0,76
0,49
ФБВ 9.6.6 -Т
600
0,243
0,58
ФБП 24.4.6-Т
400
0,439
1,05
ФБП 24.5.6-Т
2380
500
580
В 12,5
0,526
1,46
1,26
ФБП 24.6.6-Т
600
0,583
1,40
ПРИМЕЧАНИЕ. 1. В таблице приводится спецификация бетонных блоков для стен подвала,
изготовленных из тяжелого бетона - Т (объемная масса 2400 кгс/м3). В ГОСТ 13579-78
приведены так же спецификации бетонных блоков для стен подвалов, изготовленных из
бетона на пористых заполнителях (керамзитобетон) - П (объемная масса 1800 кгс/м3) и из
бетона плотного силикатного - С (объемная масса 2000 кгс/м3).
2. Блоки подразделяются па три типа:
ФБС - сплошные;
ФБВ - сплошные с вырезом для укладки перемычек и пропуска коммуникаций;
ФБП - пустотелые (с открытыми внизу пустотами).
длина l
91
Приложение 5
Коэффициент α при определении осадки основания (СНиП 3-02.01-83*)
Коэффициент α для фундаментов
2z
r
b
круглых
прямоугольных с соотношением
сторон η=l/в, равным
ленточных
при η>10
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
1,000
0,949
0,756
0,547
0,390
0,285
1
1,000
0,960
0,800
0,605
0,449
0,336
1,4
1,000
0,972
0,848
0,682
0,532
0,414
1,8
1,000
0,975
0,866
0,717
0,578
0,463
2,4
1,000
0,976
0,876
0,739
0,612
0,505
3,2
1,000
0,977
0,879
0,749
0,630
0,529
5
1,000
0,977
0,881
0,754
0,639
0,545
1,000
0,977
0,881
0,755
0,642
0,550
2,4
2,8
3,2
0,214
0,165
0,130
0,257
0,201
0,160
0,325
0,260
0,210
0,374
0,304
0,251
0,419
0,350
0,294
0,449
0,383
0,329
0,470
0,410
0,360
0,477
0,420
0,374
3.6
4,0
4,4
0,106
0,087
0,073
0,131
0,108
0,091
0,173
0,145
0,123
0,209
0,176
0,150
0,250
0,214
0,185
0,285
0,448
0,218
0,320
0,285
0,255
0,337
0,306
0,280
4,8
5,2
5,6
0,062
0,053
0,046
0,077
0,067
0,058
0,105
0,091
0,079
0,130
0,113
0,099
0,161
0,141
0,124
0,192
0,170
0,152
0,230
0,208
0,189
0,258
0,239
0,223
6,0
6,4
6,8
0,040
0,036
0,031
0,051
0,045
0,040
0,070
0,062
0,055
0,087
0,077
0,64
0,110
0,098
0,088
0,136
0,122
0,110
0,172
0,158
0,145
0,208
0,196
0,184
7,2
7,6
8,0
0,028
0,024
0,022
0,036
0,032
0,029
0,049
0,044
0,040
0,062
0,056
0,051
0,080
0,072
0,066
0,100
0,091
0,084
0,133
0,123
0,113
0,175
0,166
0,158
8,4
8,8
9,2
0,021
0,019
0,017
0,026
0,024
0,022
0,037
0,033
0,031
0.046
0,042
0,039
0,060
0,055
0,051
0,077
0,071
0,065
0,105
0,098
0,091
0,150
0,143
0,137
9,6
10,0
10,4
10,8
11,2
11,6
12,0
0,016
0,015
0,014
0,013
0,012
0,011
0,10
0,020
0,019
0,017
0,016
0,015
0,014
0,013
0,028
0,026
0.024
0.022
0,021
0,021
0,018
0,036
0,033
0,03.1
0,029
0,027
0,025
0,023
0,047
0,043
0,040
0,037
0,035
0,033
0,031
0,060
0,056
0,052
0,049
0,045
0,042
0,040
0,085
0,079
0,074
0,069
0,065
0,061
0,058
0,132
0,126
0,122
0,117
0,113
0,109
0,106
Примечание.
1. В таблице обозначено: в – ширина или диаметр фундамента, l – длина фундамента.
2. Для фундаментов, имеющих подошву в форме правильного многоугольника с площадью
A
А, значения α принимаются как для круглых фундаментов радиусом r
.
3. Для промежуточных значений r и η коэффициент α определяется по интерполяции.
92
Приложение 6
Определение деформации основания (СНиП 2.02.01-83)
Предельные деформации
основания
относительная
средняя Su
разность
крен
(в скобках
осадок
iu
максимальная
( ∆S / L) u
Smax, u) осадка в см
Сооружения
1.Производственные и гражданские
одноэтажные здания с полным каркасом:
железобетонным
стальным
0,002
0,004
-
(8)
(12)
2. Здания и сооружения, в
конструкциях, которых не
возникают усилия от
неравномерных осадок.
0,006
-
(15)
0,0016
0,005
10
0,0020
0,005
10
0,0024
0,005
15
3. Многоэтажные бескаркасные здания с
несущими стенами из:
крупных панелей
крупных блоков или
кирпичной кладки без армирования
то же, с армированием,
.в том числе с. устройством
железобетонных поясов.
ПРИМЕЧАНИЯ.
1. Предельные значения относительного прогиба (выгиба) зданий, указанных в п.З
настоящего приложения, принимаются равными 0,5 (∆ S / L) и.
2. Если основание сложено горизонтальными (с уклоном не более 0,1), выдержанными по
толщине слоями грунтов, предельные значения максимальных и средних осадок допускается
увеличивать на 20%.
3. Для сооружений, перечисленных в п.н.1-3 настоящего приложения, с фундаментами в виде
сплошных плит предельные значения средних осадок допускается увеличивать в 1,5 раза.
93
Приложение 7
Задание
94
95
