Расчет оснований фундаментов по второму предельному состоянию

§ 34. Общие положения расчета оснований и фундаментов по предельным состояниям

Общие сведения. Основания и фундаменты надлежит проектировать так, чтобы была надежно обеспечена возможность нормальной эксплуатации сооружений. Для этого они должны быть прочными и устойчивыми, т. е. обладать достаточной несущей способностью. Если это условие не выполнено, то несущая способность основания и фундамента может оказаться исчерпанной, в результате чего расположенное на них сооружение будет разрушено или деформировано в такой степени, что нормальная эксплуатация сооружения будет невозможна или значительно затруднена. Различают пять форм исчерпания несущей способности оснований и фундаментов:
1) исчерпание прочности фундамента (прочности материала фундамента), приводящее к его разрушению;
2) исчерпание устойчивости фундамента, приводящее к его опрокидыванию;
3) исчерпание устойчивости фундамента, вызывающее его сдвиг;
4) исчерпание прочности основания, приводящее к большим просадкам;
5) исчерпание устойчивости основания, сопровождающееся сдвигом массы грунта совместно с фундаментом по некоторой поверхности скольжения — глубокий сдвиг.

Наиболее характерные схемы потери устойчивости фундаментов: опрокидывание с поворотом; плоский сдвиг; глубокий сдвиг.

Расчеты, выполняемые с целью не допустить исчерпания несущей способности оснований и фундаментов, называют расчетами их на прочность и устойчивость.

Основания и фундаменты могут обладать достаточной несущей способностью, но под воздействием нагрузок получать значительные перемещения, недопустимые по условиям нормальной эксплуатации сооружений. Расчеты оснований и фундаментов, имеющие целью не допустить таких перемещений, называются расчетами по деформациям.

Железобетонные конструкции фундаментов рассчитывают также на трещиностойкость. Такие расчеты должны исключить возможность чрезмерного раскрытия трещин, при котором возникает опасность коррозии (ржавления) арматуры. На трещиностойкость фундаменты рассчитывают обычными методами расчета железобетонных конструкций, которые в настоящем курсе не рассматриваются.

Расчеты оснований и фундаментов на прочность, устойчивость по деформациям и на трещиностойкость, как и других строительных конструкций, выполняют по методу предельных состояний. Под предельным состоянием подразумевается такое напряженное состояние конструкций или оснований, когда при самом незначительном увеличении нагрузок они перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям: наступает их разрушение, возникают недопустимые деформации, происходит потеря устойчивости и т. п.

Основания и фундаменты мостов и труб под насыпями рассчитывают по двум группам предельных состояний:
по первой группе — по несущей способности оснований, устойчивости фундаментов против опрокидывания и сдвига, устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов, прочности и устойчивости конструкций фундаментов;
по второй группе — по деформациям оснований и фундаментов (осадкам, кренам, горизонтальным перемещениям), трещиностойкости железобетонных конструкций фундаментов.

Расчет по первой группе предельных состояний выполняют с целью не допустить исчерпания несущей способности и устойчивости оснований и фундаментов. Расчет производят исходя из условия
F≤Fu, (6.1)
где F — силовое воздействие (нагрузка) на основание или на фундамент; Fu — несущая способность (сила предельного сопротивления) основания или фундамента.

Цель расчета по второй группе предельных состояний — исключить возможность возникновения недопустимых по условиям нормальной эксплуатации сооружения деформаций (осадок, кренов, сдвигов) оснований и фундаментов. Расчет производят, исходя из соблюдения условия s ✖

Источник

65. Расчет оснований по 1 и 2 группе предельных состояний.

Целью расчета оснований по первой группе предельных состоя­ний (по несущей способности) является обеспечение необходимой прочности и устойчивости оснований, включая недопущение воз­можного сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Расчет по первой группе предельных состояний производят толь­ко следующих случаях: при передаче на основание значительных горизонтальных нагрузок (подпорные стены, фундаменты распор­ных конструкций и др.), в том числе и сейсмических; на фундамент действуют выдергивающие нагрузки; все здание или его отдельные фундаменты располагаются вблизи нисходящего откоса грунта; основание сложено скальными грунтами; основание сложено слабы­ми грунтами, в частности водонасыщенными заторфованными и пылевато-глинистыми, имеющими мягкопластичную и текучеп­ластичную консистенцию.

Расчет оснований по несущей способности выполняют, проверяя условие: F≤γ_CF_U/γ_n , где F — расчетная нагрузка на основание от основного или особого сочетания нагрузок; γ_C — коэффициент условий работы, принима­емый для песков, кроме пылеватых, γ_C= 1, для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии, а также песков пылева­тых — 0,9, для пылевато-глинистых в нестабилизированном состо­янии — 0,85, для скальных грунтов: невыветрелых и слабовыветре­лых — 1,0, выветрелых — 0,9, сильновыветрелых — 0,8; F_U – сила предельного сопротивления основания; γ_n — коэффициент надеж­ности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15; 1,10 соответственно для сооружений I, II и III классов ответствен­ности.

Основной целью расчета оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) является ограничение перемещений

фундаментов такими предельными значениями, которые гapaнтируют нормальную эксплуатацию и требуемую долговечность зданий и сооружений, исключая возможность, проявления значительных неравномерностей осадок связанных с появлением кренов,

изменения проектных отметок и положений конструкций и их соединений. Расчет оснований по деформациям предполагает, что прочность и трещиностойкость самих фундаментов и фундаментных конструкций должны быть проверены по результатам дополнительных рас­четов.

Так как проектирование оснований начинают с назначения глубины заложения фундамента, то ограничение осадки последнего производят, назначением определенных размеров подошвы, то ограничение возможных неравномерностей осадок часто, добиваются за счет варьирования размерами подошвы, тем самым уменьшая или увеличивая давление в грунте основания, что позволяет регулировать осадки отдельных фундаментов.

Расчет оснований по деформациям требует выполнения следующего условия: S≤S_U

где s – деформация основания, определяемая по результатам совместной работы основания и сооружения; S_U — предельное значение совместной деформации основания и сооружения. Предельно допустимые деформации определяются в основном эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к сооружению. По СНиПу рекомендуется ограничивать давление по подошве фундамента расчетным сопротивлением грунта основания: p≤R.

Расчетное сопротивление грунта основания под подошвой фундамента определяется по формуле Пузыревского:

γ_c1, γ_c1— коэффициенты, зависящие от инженерно-геологических условий

с_II— удельное сцепление грунта

γ_II— удельный вес грунта над подошвой фундамента

γ , _II— удельный вес грунта под подошвой фундамента

М_q, М_γ М_с— коэффициенты принимаемые от угла внутреннего трения

d₁— глубина заложения подошвы фундамента.

Источник

Расчет фундаментов по второй группе предельных состояний.

Основания рассчитывают по двум группам предельных состояний:

– по первой группе — по несущей способности;

– по второй группе — по деформациям (по осадкам, прогибам, подъемам и пр.).

Основной целью расчета оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) является ограничение перемещений фундаментов такими предельными значениями, которые гарантируют нормальную эксплуатацию и требуемую долговечность зданий и сооружений, исключая возможность проявления значительных неравномерности осадок, связанных с появлением кренов, изменения проектных отметок и положений конструкций и их соединений.

Так как проектирование оснований начинают с назначения глубины заложения фундамента, то ограничение осадки последнего производят назначением определенных размеров подошвы, а ограничения возможных неравномерностей осадок часто добиваются за счет варьирования размерами подошвы, тем самым уменьшая или увеличивая давление в грунте основания, что позволяет регулировать осадки отдельных фундаментов.

Предельно допустимые деформации определяются в основном эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к сооружению.

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

где s — совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом; — 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;

— просадки — 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);

— оседания — деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, понижением уровня грунтовых вод, проявлением карста;

— горизонтальные перемещения — 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.

Расчет деформации основания может быть выполнен с использованием как аналитических, так и численных методов расчета. К аналитическим методам относятся:

— метод элементарного послойного суммирования

— метод эквивалентного слоя грунта

— метод линейно-деформируемого слоя.

Осадка основания s с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования по формуле

где β- безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8; — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней zi-1и нижней zi границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; hi и Ei — соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта; n — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рис.Ф.10.10.

Рис.Ф.10.10. Схема распределения вертикальных напряжений:

DL — отметка планировки; NL — отметка поверхности природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента;WL — уровень подземных вод; ВС — нижняя граница сжимаемой толщи

Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента s zp — по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяются по формуле

где α — коэффициент, принимаемый в зависимости от формы подошвы фундамента и относительной глубины ; p0- дополнительное вертикальное давление на основание, определяемое из выражения ; p — среднее давление под подошвой фундамента;

— вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента (при планировке срезкой принимается = g _d, при отсутствии планировки и планировке подсыпкой = g _dn, где g — удельный вес грунта, расположенного выше подошвы; d и dn — глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки DL и природного рельефа NL.

Источник

Расчет фундамента под наружную стену подвала. Расчет основания по деформациям (по 2 предельному состоянию). Пример расчета.

Наконец, мы переходим к расчету по 2 предельному состоянию, т.е. по деформациям (основное отличие от 1 предельного состояния – в коэффициентах, они равны единице).

Первым делом мы находим расчетное сопротивление грунта основания. Это монотонная и нудная часть расчета с массой коэффициентов, но ее нужно сделать. Можно обратиться к литературе и выбрать приближенное значение расчетного сопротивления грунта, но я рекомендую делать все основательно и четко, поэтому в п. 7.1 мы определим расчетное сопротивление по формуле, как полагается.

Далее нам снова нужно найти горизонтальное давление на отметке поверхности земли σ₁ и на отметке низа подошвы σ₂. По сути, необходимо повторить действия пунктов 5.1…5.10, только с другими значениями характеристик грунтов (для второго предельного состояния) и без повышающих коэффициентов.

Затем, как и в прошлый раз нам нужно выбрать один из двух вариантов. В нашем случае это снова вариант «а» — когда σ₁ меньше нуля, и эпюра треугольная.

Итоговая эпюра снова окажет нам помощь в самопроверке:

А для варианта «б» расчет будет выглядеть вот так (хоть сейчас он нам и не нужен, но вдруг кому-то пригодится):

Значения σ₃ и σ₄ введены для удобства расчета усилий Мн и Qн в пунктах 7.18 и 7.19.

Далее мы находим все вертикальные силы с нормативным значением (без повышающих коэффициентов)

И по формулам из таблицы 5 руководства определяем Мн и Qн. После чего можно найти сумму моментов относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы.

Когда нам известны итоговые вертикальная сила и момент, мы можем найти эксцентриситет приложения действующей нагрузки. И здесь расчет опять расходится на два варианта. Как показано на рисунке ниже, эксцентриситет может быть небольшим, и тогда в расчете по деформациям будет задействована вся ширина подошвы, а эпюра напряжений под подошвой будет в виде трапеции; а может быть так, что место приложения нагрузки сильно смещено от центра тяжести подошвы – тогда подошва будет отрываться от основания, и эпюра напряжений будет треугольной и только под частью подошвы. В нашем случае эксцентриситет крайне мал, и эпюра напряжений будет близка к прямоугольнику. Проверив условие, мы убедимся, что считать нужно по варианту «а», по нему мы и определим напряжения под подошвой фундамента.

Вариант «б» в данном примере в расчете не участвует.

В пункте 7.22 мы проверяем условие – сравниваем среднее давление под подошвой с расчетным сопротивлением грунта. Если условие удовлетворяется, переходим к следующей стадии расчета. Если же нет, то скорее всего нам придется увеличить ширину подошвы ленточного фундамента – это самый простой путь. Также возможны специальные мероприятия в виде усиления грунта под подошвой или устройства искусственной подушки.

По сути, на этом расчет, определяющий габариты фундамента и стены подвала окончен. Проверены все необходимые условия (отмечены синим на рисунках), все проходит, все получилось.

Источник