Тема:Фундаменты естественного (мелкого) заложения

Лекция № 9.

Ключевые слова: Отдельные фундаменты, ленточные фундаменты, прерывистые лентосные фундаменты, перекрещивающиеся ленточные фундаменты, сплошные фундаменты, массивные фундаменты, монолитные железобетонные фундаменты, сборные фундаменты, нормативная глубина промерзания, расчетные глубины промерзания, прерывистые ленточные фундаменты, перекрещивающиеся ленточные фундаменты, сплошные фундаменты, массивные фундаменты, гидроизоляция стен, обмазка, уементный слой, рулонная гидроизоляция, пригрузочный бетон, железобетонный кессон, фундаментная плита, защитная стенка, сильносжимаемые грунты, среднее давление на основание, площадь подошвы фундамента, расчетное сопротивление грунтов, верхняя грань фундамента, центрально нагруженные фундаменты, максимальное краевое давление, внецентренно загруженный фундамент, гибкие фундаменты, эпюры реактивных давлений, фундаментная балка.

Фундаменты на естественном основании, как и любые фун­даменты, предназначены для передачи нагрузок от несущих конструкций сооружения на грунты основания. На фундамен­ты возлагается задача так распределять давление по подошве, чтобы возникающие при этом деформации оснований и, самое главное, их неравномерность не превосходили предельных зна­чений, устанавливаемых соответствующими нормами.

Конструкции фундамента и их виды. Фундаменты на естественном основании подразделяются на несколько видов (рис. 9.1).

Отдельные фундаменты устраиваются под колонны, опоры рам, ферм, столбы и другие элементы зданий, передающих на грунт сосредоточенные нагрузки. Они могут быть стаканного типа, если колонна устанавливается в специальное углубле­ние — «стакан», и бесстаканного, когда колонна монтируется на поверхность фундамента. Отдельные фундаменты могут уст­раиваться в монолитном и сборном вариантах (рис. 9.2).

Разработаны сборные конструкции отдельных фундаментов, состоящие из основных (блок-стакан) и доборных элементов (фундаментные плиты различных размеров). Результаты иссле­дований работы незаглубленных сборных фундаментов, выпол­ненных инженером М. И. Межгорских, свидетельствуют об их устойчивой работе. До образования трещины плитный фунда­мент работает как равновеликий по объему и армированию одноблочному. Различия в работе наблюдаются лишь после об­разования трещин по подошве фундамента. При этом у сбор­ных фундаментов нагрузка трещинообразования составляет 30% предельных.

Рис.9.1. Классификация фундаментов на естественном основании:

Установлено, что предельная нагрузка на составной фунда­мент с плитой башмака ограниченной жесткости по величине равна нагрузке для одноблочного равновеликого фундамента.

В качестве отдельных устраиваются фундаменты сооруже­ний башенного типа (телевизионные башни, дымовые трубы и др.), они выполняются в виде сплошной кольцевой или ребристой плиты, оболочек и т.д.

Ленточныефундаменты применяются в зданиях и сооруже­ниях для передачи, как правило, погонной нагрузки. Они под­разделяются на параллельные и перекрещивающиеся. Широкое применение имеют сборные ленточные фундаменты (рис. 5.3,а), которые состоят из нижней ленты (подушки) и верти­кальной стены (подвальная стена). Размеры сборных блоков-подушек и стеновых блоков определяются соответствующим ГОСТом на строительные изделия. Блоки-подушки изготовля­ют высотой 30... 50 см, шириной 60... 320 см и длиной 118 и 238 см; стеновые блоки — шириной 30...60 см, высотой 58 см и длиной 78, 118 и 238 см.

Рис. 9.2. Сборные фундаменты под колонны:

а — фасад; б — боковой вид; 1 — одноблочный фундамент; 2 —составной фундамент

Рис. 9.3. Ленточный сборный фундамент:

а — сплошной; б — прерывистый; 1 — стена здания;

2 — гидроизоляция; 3 — блоки стены подвала; 4 — фундаментная подуш­ка; L_K — вылет консоли выполняются в виде сплошной кольцевой или реб­ристой плиты, оболочек и т. д.

Экономически целесообразным следует считать применение прерывистых сборных ленточных фундаментов, у которых бло­ки-подушки укладываются не сплошной лентой, а с разрывом (рис. 9.3,6). У прерывистых ленточных фундаментов происхо­дит выравнивание реактивных давлений под подошвой фунда­ментного блока, вследствие чего представляется возможность повысить нагрузку на один блок без увеличения арматуры. Ве­личина разрыва между блоками-подушками определяется рас­четом. Применение прерывистых ленточных фундаментов не рекомендуется при наличии на строительной площадке просадочных грунтов II типа и в глинистых грунтах с показателем текучести I_L>0,5.

Перекрещивающиеся ленточные фундаменты обеспечивают наилучшие условия работы над фундаментной конструкции и наиболее равномерное давление на основание (рис. 9.4). Та­кие фундаменты применяются для зданий и сооружений, чув­ствительных к неравномерным деформациям и возводимых в сложных инженерно-геологических условиях.

Сплошные фундаменты ис­пользуют при проектировании фундаментов в виде монолитных железобетонных плит сплошно­го или коробчатого сечения. Такие фундаменты рекоменду­ются: 1) при значительных на­грузках и слабых грунтах осно­вания, когда применение па­раллельных и перекрестных лен­точных фундаментов становится нецелесообразным; 2) при не­обходимости снижения неравно­мерности осадок зданий или сооружений.

Массивные фундаменты сооружаются под тяжело нагруженные опоры искусственных сооружений (мостовые опоры, мачты и т. д.).

Следует несколько подробнее остановиться на монолитных железобетонных фундаментах. Такие фундаменты, как сплош­ные, массивные, ленточные под колонны (перекрещивающие­ся), как правило, устраиваются из монолитного бетона.

Основ­ные их недостатки: большие трудовые затраты непосредственно на строительной площадке, значительная продолжительность устройства по времени, низкая оборачиваемость опалубки, сложности по обеспечению схватывания и твердения бетона в зимнее время и т. д.

Рис. 9.4. Перекрещивающиеся ленточные фундаменты:

1 — колонна; 2 — фундаментная лента

Однако несмотря на эти недостатки, в ряде случаев монолитные железобетонные фундаменты оказываются рациональным вариантом. Этому способствует применение ти­повой инвентарной опалубки, применение способов ускорения твердения бетона и т. д.

Под монолитные железобетонные фундаменты обычно уст­раивают подготовку из втрамбованного в грунт щебня с раство­ром или тощим бетоном. Это делается для исключения вытека­ния цементного молока из бетонной смеси в грунт, перемеши­вания бетона с грунтом и опускания арматуры в грунт.

Материалы для устройства фундаментов в открытых котло­ванах должны обладать необходимой прочностью, морозостой­костью и водостойкостью, поскольку фундаменты в процессе строительства и эксплуатации испытывают не только действие внешних нагрузок, но и влияние грунтовых и поверхностных вод, замерзание и оттаивание. Чаще всего фундаменты изго­товляют из железобетона, бетона, бутобетона. Бутобетон при­меняется реже, так как для возведения фундаментов из этого материала требуются большие затраты ручного труда.

Монолитные и сборные фундаменты изготовляются из бето­на класса В3,2... В10. Монолитные фундаменты особенно целе­сообразны при бетонировании их не в опалубке, а враспор со стенками котлованов и траншей.

Универсальным материалом для устройства фундаментов является железобетон, особенно при возведении перекрестных ленточных фундаментов, сплошных фундаментных плит и обо­лочек, фундаментов под колонны. Из железобетона выполняют сборные фундаментные и панельные блоки.

Важным конструктивным элементом при устройстве фунда­ментов является их защита от агрессивных грунтовых вод. Ес­ли не применять специальных мер, то под воздействием агрес­сивных вод происходит разрушение бетона, а арматура оголяет­ся и подвергается коррозии. Противостоять воздействию агрессивных грунтовых вод можно применением более стойких це­ментов (сульфатостойких цемен­тов при сульфатной агрессии полимербетонов) или плотных бетонов

В ряде случаев устра­ивают изоляцию фундаментов от агрессивных вод (рис. 9.5.) Для этого выполняется подготовка из втрамбованного в грунт щебня 1 с покрытием битумной мастикой или мастикой из полимерных ма­териалов 3. Поверхность фунда­мента также покрывается чер­ным вяжущим материалом или мастикой из полимерных смол. Вокруг фундамента устраивается глиняный замок 4.

При высоком стоянии подземных вод выполняется гидро­изоляция подвальных помещений, конструкция которой выбирается в зависимости от характера грунтов, типа фундаментов, вида подвальных помещений и уровня грунтовых вод (рис. 9.6).

Рис. 9.5 Схема изоляции фун­дамента от агрессивных вод в трещиностойких конструкциях

Рис. 9.6. Устройство гидроизоляции подвальных помещений:

а —цементным слоем; б — внутренняя, пригруженная бетоном; в — внутренняя,

с кессоном; г — наружная при сплошной плите; 1 — гидроизоляция стен;

2 — об­мазка; 3 — цементный слой; 4 — подготовка; 5 — рулон­ная гидроизоляция; 6 — пригрузочный бетон- 7 — желе­ зобетонный кессон; 8 — фундаментная плита: 9 - за­щитная стенка

При уровне грунтовых вод ниже пола подвала (рис.9.6,а) нужные стороны фундамента покрывают гидроизоляционной мастикой, а штукатурка пола и стен выполняется с железнением. Если стояние уровня подземных вод не более чем на 0,5 м выше пола подвала, то гидроизоляцию удерживают пригрузочным слоем бетона (рис.9.6,б) весом, превосходя­щим гидростатическое давление. При уровне подземных вод, выше пола подвала более чем на 0,5 м для удержания гидро­изоляции в проектном положении выполняется специальная: конструкция, работающая на изгиб — внутренняя или наруж­ная. Внутренняя гидроизоляция устраивается после возведения фундаментов и прижимается железобетонной плитой (кессо­ном), при этом стенки кессона упираются в перекрытие или выступающие части фундамента (рис. 9.6,в). Иногда устраивается наружная гидроизоляция, тогда фундамент выполняется в виде монолитной железобетонной плиты. В этом случае несколько упрощается устройство гидроизоляции в связи с уменьшением количества огибаемых углов (рис. 9.6.г). Вертикальная гидроизоляция защищается стенками из сборных: железобетонных плит или кирпича.

Определение глубины заложения подошвы фундаментов. При проектировании и устройстве фундаментов из технико-экономических соображений стремятся принимать как можно меньшую глубину заложения их подошвы. Следует отметить, что не всегда представляется такая возможность ввиду низкой прочности верхних слоев грунта и значительного влияния ме­теорологических факторов, деятельности животного и растительного мира.

При выборе глубины заложения фундаментов необходимо учитывать три основных фактора: 1) инженерно-геологические- и гидрологические условия строительной площадки; 2) климатологические особенности местности и их воздействие на верхние слои грунта; 3) конструктивные особенности возводимых зданий и сооружений.

В целях систематизации проф. Б. И. Далматов подразделяет инженерно-геологические условия строительной площадки на «слабые» и «надежные». В качестве «слабых» рассматриваются такие грунты, которые не могут обеспечить устойчивость фундаментов и сооружений в целом. И наоборот, «надежными» являются такие грунты, которые вполне обеспечивают устойчивость зданий и сооружений. Понятия «слабый» и «надежный» грунт весьма относительны. При проектировании сравнительно легких и тем более

Рис. 9.7 Схема напластований грунтов (по Б. И. Далматову):

1 — «надежный» грунт; 2 — «слабый» грунт

гибких сооружений даже сильносжимаемые грунты можно отнести к катего­рии «надежных». В то же время при возведении тя­желых зданий и соору­жений, не допускающих появления неравномер­ных деформаций, грунты со средней сжимаемостью могут оказаться «слабыми», поэтому грунтовые напластования подразделяются на три схемы (рис. 9.7)

При залегании с поверхности «надежных» грунтов (схема I) глубина заложения фундаментов принимается минимальной (с учетом климатических условий и особенностей сооружения). Если с поверхности залегают «слабые» грунты, подстилаемые «надежными» грунтами, то наиболее рациональным решением будет прорезка «слабых» грунтов и передача нагрузки на «на­дежные» грунты с помощью свай, столбов, уплотненной песча­ной подушки и т. д. (схема II). При грунтовых напластованиях по схеме III можно рекомендовать прорезку «слабых» грунтов с опиранием фундаментов на «надежный» грунт (как по схе­ме II) или использовать верхний слой «надежного» грунта в качестве распределительной подушки. Возможно также за­крепление слоя «слабого» грунта одним из существующих спо­собов.

Климатические факторы сказываются прежде всего на про­мерзании грунтов и связанном с ним морозном пучении. Пучиноопасными грунтами считаются все глинистые грунты, пылеватые и мелкие пески. Пески средней крупности, крупные и гравелистые относятся к непучинистым грунтам, и поэтому глу­бина заложения фундаментов на таких грунтах не зависит от глубины промерзания.

Во всех остальных случаях глубина заложения фундамен­тов должна быть не меньше расчетной глубины промерзания грунтов:

d =K d , (9.1)

где d — нормативная глубина промерзания, которая прини­мается как средняя из ежегодных максимальных глубин про­мерзания грунтов по данным наблюдений в течение 10 лет и оп­ределяется по карте или по формуле (СНиП 2.02.01—83); K_h— коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен (принимается по СНиПу в зависимости от конструкции пола первого этажа и расчетной температуры воздуха в помещениях).

Для наружных стен и колонн назначение глубины за­ложения подошвы фундамен­тов производится по СНиП 2.02.01—83 в зависимости от расчетной глубины промерза­ния грунтов и глубины стоя­ния уровня грунтовых вод. Глубина заложения фундамен­тов внутренних стен и ко­лонн отапливаемых зданий назначается независимо от глубины промерзания грунтов при условии исключения промерзания их в процессе строительства. В не отапливаемых зданиях на пучинистых грунтах фундамен­ты закладываются на глубину не менее расчетной глубины промерзания, которая определяется с коэффициентом K_h=1,1. Особенности возводимых зданий и сооружений следует учиты­вать при назначении глубины заложения подошвы фундамен­тов.

Рис. 9.8 Переход при различных заглублениях фундамента:

а — при отдельных фундаментах; б — при ленточных фундаментах под стены

Имеется в виду наличие в зданиях подвальных помещений, фундаментов под оборудование, примыкание к фундаментам существующих зданий и сооружений, наличие подземного хозяйства и т. д. Во всех случаях стремятся к сохранению природной структуры грунтов основания. В связи с этим переход от глубоких котлованов к подошве фундаментов выполняется с со­хранением откоса h: L=1:2 (рис. 9.8,а)При ленточных фундаментах уступы устраиваются по длине при это высота уступов принимается 0,5... 0,6 м (рис. 9.8,б).

Определения размеров подошвы жестких фундаментов при центральном действии нагрузки. Для расчета осадок оснований фундаментов необходимо иметь размеры подошвы и передаваемое на грунт давление. В связи с этим предварительно рассчитывают размеры подош­вы фундаментов исходя из расчетного сопротивления грунта основания, т. е. в соответствии с расчетом основания фундамен­тов по второй группе предельных состояний.

Центрально нагруженным называется такой фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок проходит че­рез центр тяжести его подошвы. При проектировании цент­рально нагруженных фундаментов необходимо, чтобы в комп­лексе выполнялись следующие проверки:

p R; ; , (9.2)

где р — среднее давление на основание под подошвой фундаментов от внешних нагрузок, собственного веса фундамента и грунта на его обрезах; R — расчетное сопротивление грунта основания, определяемое по СНиП 2.02.01—83.

После назначения глубины заложения фун­даментов их размеры определяют с использова­нием расчетного сопротивления грунта.

Посколь­ку в формуле для определения R два неизвест­ных — ширина подошвы фундамента и расчет­ное сопротивление грунта, воспользуемся усло­вием равновесия:

N=F+G, (9.3)

где N— реакция грунта; F, G — соответственно величина внешней нагрузки, собственного веса фундамента и грунта на его уступах.

Рис. 9.9 Схема на­грузок, дей­ствующих на централь­но нагру­женный фундамент

Реакцию грунта можно определить по формуле

N=AR₀, (9.4)

где А — площадь подошвы фундамента; R₀ —расчетное сопро­тивление грунтов основания, принимаемое по СНиП 2.02.01—83 для предварительного определения размеров фундаментов. Вес фундамента с грунтом, лежащим на его уступах,

G=Adg_фb, (9.5)

где d — глубина заложения фундамента; g_ф — удельный вес кладки фундамента; b — коэффициент, учитывающий различ­ные значения удельных весов кладки фундамента и грунта; для железобетонных фундаментов g_фb =2 т/м³. Подставив по­лученные выражения в исходную формулу, получим зависи­мость для определения ориентировочных размеров подошвы железобетонных фундаментов:

А = . (9.6)

Зная площадь подошвы фундамента, определим размер его подошвы:

(9.7)

Размеры подошвы фундамента определяют по результатам уточнения расчетного сопротивления грунта основания, которое вычисляют после подстановки в формулу размера подошвы. Этот метод носит название метода последовательных прибли­жений.

Конструирование тела фундамента производят в соответст­вии с нормами на проектирование бетонных и железобетонных конструкций. Высоту фундамента определяют с учетом следу­ющих факторов: 1) из условия производства работ (как правило, верхняя грань фундамента выводится на относительную отметку —0,15); 2) из конструктивных соображений — разме­щения колонны в фундаменте, минимальной толщины дна ста­кана и т. д.; 3) прочности материала фундамента (высота фун­дамента определяется из условия действия расчетных нагрузок). Толщину защитного слоя назначают в сухих грунтах не менее 3,5 см, в водонасыщенных — 7,5 см.

После уточнения всех размеров определяется среднее дав­ление по подошве фундамента и проверяется первая зависи­мость условия (9.8)

(9.8)

Окончательно размеры фундамента определяют на основе расчета его по деформациям, т. е. по второй группе предель­ных состояний.

Расчет внецентренно загруженных фундаментов производят из следующих условий:

р£R, р_mах£1,2R; s_aбc£s_пp.aбc; Ds£Ds_пp; s£s_пp. (9.9)

По сравнению с центрально нагруженными фундаментами (5.2) добавляется еще одно условие — р_max£1,2R где р_max — максимальное краевое давление под подошвой фундамента. В общем случае внецентренно загруженный фундамент может испытывать нагрузку от вертикальных и горизонтальных сил и моментов, действующих в различных плоскостях. Поэтому внецентренно загруженным называется такой фундамент, у ко­торого равнодействующая внешних нагрузок не проходит через центр тяжести его подошвы (рис. 9.10)

При проектировании условно принимают, что реактивное давление распределяется по подошве жестких фундаментов по линейному закону, а его максимальная и минимальная величи­ны рассчитываются по формуле

(9.10)

где М_х, M_y — моменты относительно главных осей подошвы фундамента от действующих нагру­зок; W_x, W_y — моменты сопротивле­ний площади подошвы фундамента относительно его главных осей.

При действии момента в одной плоскости формула (5.10) Принимает вид:

(9.11)

Рис 9.10 Схема внецентрен­но загруженного фундамента

Для фундаментов с прямоугольной подошвой в плане:

A=bl; ; M=(F_u+G)e.

Тогда:

(9.12)

где l и b — соответственно большая и меньшая стороны прямо­угольной подошвы фундамента; е — эксцентриситет равнодей­ствующей внешней нагрузки.

На рис.9.11 показаны эпюры напряжений под подошвой фундамента в зависимости от величины эксцентриситета.

При проектировании внецентренно загруженных фундамен­тов необходимо добиваться относительно равномерного распре­деления давлений по подошве, но достичь этого не всегда пред­ставляется возможным. Поэтому при трапециевидной эпюре реактивного давления отношение p_min/p_mах ограничивают. Для колонн с тяжелыми мостовыми кранами применяют p_min/p_max=0,25, для остальных фундаментов p_min=0 (тем самым не до­пускают отрыв подошвы от фундамента). Влияние внецентренной нагрузки можно уменьшить путем вытягивания фундамен­та в сторону действия момента. Другим путем выравнивания напряжений по подошве фундамента является смещение цент­ра тяжести подошвы фундамента в сторону эксцентриситета (рис. 9.12). В практике проектирования внецентренно загру­женных фундаментов нередки случаи, когда равнодействующая внешних сил смещена по отношению к обеим главным осям по­дошвы фундамента (рис. 9.13. точка А). В этом случае давление под угловыми точками

(9.13)

Рис. 9.11. Эпю­ры давлений по подошве внецентренно

Дата добавления: 2015-06-04