Среднее фактическое давление под подошвой фундамента

5.5.3. Определение основных размеров фундаментов (ч. 3)

Б. ВНЕЦЕНТРЕННО НАГРУЖЕННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Размеры внецентренно нагруженных фундаментов определяются исходя из условий:

где р — среднее давление под подошвой фундамента от нагрузок для расчета оснований по деформациям; p_max — максимальное краевое давление под подошвой фундамента; р c max — то же, в угловой точке при действии моментов сил в двух направлениях; R — расчетное сопротивление грунта основания.

Максимальное и минимальное давления под краем фундамента мелкого заложения при действии момента сил относительно одной из главных осей инерции площади подошвы определяется по формуле

где N — суммарная вертикальная нагрузка на основание, включая вес фундамента и грунта на его обрезах, кН; A — площадь подошвы фундамента, м 2 ; М_х — момент сил относительно центра подошвы фундамента, кН·м; y — расстояние от главной оси инерции, перпендикулярной плоскости действия момента сил, до наиболее удаленных точек подошвы фундамента, м; I_x — момент инерции площади подошвы фундамента относительно той же оси, м 4 .

Для прямоугольных фундаментов формула (5.53) приводится к виду

где W_x — момент сопротивления подошвы, м 3 ; e_x = M_x/N — эксцентриситет равнодействующей вертикальной нагрузки относительно центра подошвы фундамента, м; l — размер подошвы фундамента в направлении действия момента, м.

При действии моментов сил относительно обеих главных осей инерции давления в угловых точках подошвы фундамента определяется по формуле

или для прямоугольной подошвы

где М_х, M_y, I_х, I_y, e_x, e_y, x, у — моменты сил, моменты инерции подошвы эксцентриситеты и координаты рассматриваемой точки относительно соответствующих осей; l и b — размеры подошвы фундамента.

Условия (5.50)—(5.52) обычно проверяются для двух сочетаний нагрузок, соответствующих максимальным значениям нормальной силы или момента.

Относительный эксцентриситет вертикальной нагрузки на фундамент ε = е/l рекомендуется ограничивать следующими значениями:

ε_u = 1/10 — для фундаментов под колонны производственных зданий с мостовыми кранами грузоподъемностью 75 т и выше и открытых крановых эстакад с кранами грузоподъемностью более 15 т, для высоких сооружений (трубы, здания башенного типа и т.п.), а также во всех случаях, когда расчетное сопротивление грунтов основания R ε_u = 1/6 — для остальных производственных зданий с мостовыми кранами и открытых крановых эстакад;

ε_u = 1/4 — для бескрановых зданий, а также производственных зданий с подвесным крановым оборудованием.

Форма эпюры контактных давлений под подошвой фундамента зависит от относительного эксцентриситета (рис. 5.25): при ε ε = 1/10, соотношение краевых давлений p_min/p_max = 0,25), при ε = 1/6 — треугольная с нулевой ординатой у менее загруженной грани подошвы, при ε > 1/6 — треугольная с нулевой ординатой в пределах подошвы, т.е. при этом происходит частичный отрыв подошвы.

В последнем случае максимальное краевое давление определяется по формуле

где b — ширина подошвы фундамента; l₀ = l /2 – e — длина зоны отрыва подошвы (при ε = 1/4, l₀ = 1,4).

Следует отметить, что при отрыве подошвы крен фундамента нелинейно зависит от момента.

Распределение давлений по подошве фундаментов, имеющих относительное заглубление λ = d/l > 1, рекомендуется находить с учетом бокового отпора грунта, расположенного выше подошвы фундамента. При этом допускается применять расчетную схему основания, характеризуемую коэффициентом постели (коэффициентом жесткости). В этом случае краевые давления под подошвой вычисляются по формуле

где i_d — крен заглубленного фундамента; c_i — коэффициент неравномерного сжатия.

Пример 5.11. Определить размеры фундамента для здания гибкой конструктивной схемы без подвала, если вертикальная нагрузка на верхний обрез фундамента N = 10 МН, момент M = 8 МН·м, глубина заложения d = 2 м. Грунт — песок средней крупности со следующими характеристиками, полученными по испытаниям: е = 0,52; φ_II = 37°; c_II = 4 кПа; γ = 19,2 кН/м 3 . Предельное значение относительного эксцентриситета ε_u = е/l = 1/6.

Решение. По табл. 5.13 R₀ = 500 кПа. Предварительные размеры подошвы фундамента определим исходя из требуемой площади:

м 2 .

Принимаем b · l = 4,2 · 5,4 м ( A = 22,68 м 2 ).

Расчетное сопротивление грунта по формуле (5.29) R = 752 кПа. Максимальное давление под подошвой

кПа R = 900 кПа.

Эксцентриситет вертикальной нагрузки

м,

Таким образом, принятые размеры фундамента удовлетворяют условиям, ограничивающим краевое давление и относительный эксцентриситет нагрузки.

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

Источник

Среднее давление под подошвой фундамента определяют по формуле

Р_II = N_II‘/ A ,

Полученное среднее давление сопоставляют с расчетным сопротивлением. Если условие P_II≤R не удовлетворено или P_II меньше R и разница составляет более 10%, изменяют размеры фундамента. При изменении размера b пересчитывают значение расчетного сопротивления. Добившись соблюдения условия P_II≤R, прове­ряют выполнение условий P_max≤1,2R и P_min³0.

Pmax= NII‘/A ± MII‘/W, (определяют по двум комбинациям нагрузок) min

где M_II‘ – расчетное значение момента, действующего на подошву фундамента;

W — момент сопротивления ее площади (для прямоугольной подошвы W=b×l 2 /6).

Если условие Pmax≤1,2R не выполняется, следует увеличить размер фунда­мента l кратно модулю 300 мм. Краевое давление находят при действии моментов разных направлений и строят две эпюры давления на грунт оснований.

2.7. ПРОВЕРКА ДАВЛЕНИЯ НА КРОВЛЮ СЛАБОГО СЛОЯ

Иногда на глубине z под несущим слоем залегает менее прочный грунт, в котором могут развиваться пластические деформации. Поэтому рекомендуется проверять напряжения, передаваемые на кровлю слабого грунта, по формуле

σzp+σzg≤Rz ,

(5)

где σ_zp — дополнительное вертикальное напряжение от загрузки фундамента;

σ_zg — напряжение от собственного веса грунта, считая от природного рельефа;

R_z — расчетное сопротивление грунта на глубине кровли слабого грунта z.

Величину R_z рекомендуется устанавливать по формуле (4). Коэффи­циенты условий работы γ_С1 и γ_С2 и надежности k (а также M_γ, M_g и M_c) находят применительно к слою слабого грунта. Значения b и d_z определяют для условного фундамента ABCD, размеры которого назначают, сообразуясь с рассеи­ванием напряжений в пределах слоя толщиной z.

Если принять, что напряжение σ_zp действует на подошву условного фунда­мента ABCD, то площадь его подошвы должна составлять

Az = NII‘/ σzp ,

где N_II‘ — нагрузка, передаваемая конструкциями на подошву фундамента.

Зная A_z, найдем ширину условного прямоугольного фундамента по формуле

b_z= ÖА_z + a² — a ,

где a = (l-b) / 2 (l и b — размеры подошвы проектируемого фундамента).

При ленточных фундаментах b_z=A_z:l. Найдя b_z, вычисляют значение расчет­ного сопротивления грунта подстилающего слоя. Зная R_z, проверяют условие (5). При его удовлетворении зоны сдвигов не имеют существенного значения для ве­личины осадки, поэтому применима линейная зависимость между напряжениями и деформациями; в противном случае необходимо принять боль­шие размеры подошвы, при которых условие (5) будет соблюдаться.

2.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ОСАДКИ ОСНОВАНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО СУММИРОВАНИЯ

Расчет осадки методом послойного суммирования выполняют, используя специальный бланк (табл. 13) в такой последовательности:

контур фундамента наносят на бланк, слева дают инженерно-геологическую колонку с указанием отметок кровли слоев от отм. 0,000, совмещаемой с планировочной;

основание разделяют на горизонтальные слои толщиной не более 0,4b до глу­бины 4b; при слоистых напластованиях границы слоев необходимо совмещать с кровлей пластов и горизонтом подзем­ных вод;

заполняют графы таблицы (h, z и т.д.);

при определении напряжения σ_zg=Sγ_ih_i ниже горизонта подземных вод значение γ прини­мают для дренирующих грунтов равным γ_sb; при прослойке из водонепроницаемых грунтов (суглинок, глина, ил) на их кровле давление увеличивают на величину, равную γ_wd_wz, где γ_w – удельный вес воды, 10кН/м 3 , d_wz – расстояние от горизонта подземных вод до водонепроницаемого слоя;

находят дополнительное давление на подошву фундамента по формуле

по данным 2z/b и соотношению сторон подошвы η=l/b устанавливают по табл.14 значение коэффициента рассеивания напряжений α; для промежуточных значений 2z/b и η значения α определяются интерполяцией;

по данным σ_zg и σ_zp строят эпюры напряжений в грунте от собственного веса (слева от оси z) и напряжений от дополнительного давления σ_zp=αP_o(справа от оси z);

определяют нижнюю границу сжимаемого слоя по соотношению 0,2σ_zg=σ_zp; если эта граница находится в слое грунта с E≤5МПа или такой слой залегает ниже нее, то нижнюю гра­ницу сжимаемой толщи определяют из условия 0,1σ_zg=σ_zp;

для каждого из слоев в пределах сжимаемой толщи определяют среднее дополнительное вертикальное напряжение в слое по формуле (σ_zpi+σ _zpi+1)/2; по-

лученные значения вносят в соответствующий столбец табл. 13;

вычисляют среднюю осадку основания по формуле S_i = s_zpih_ib/E_i, где b = 0,8;

суммируют показатели осадки слоев в пределах сжимаемой толщи и получают осадку ос­нования S.

Расчет основания считается законченным, если найденное значение осадки не превосходит предельного значения осадки S_u, определенного для данного типа зданий согласно /3/. Например, для одноэтажного каркасного промышленного здания S_u=15 см.

Если полученное значение не превосходит 0,4S_u (при благоприят­ных грунтовых условиях этот показатель обычно находится в пределах 2-5 см), то расчетное сопротивление грунта основания R, вычисленное по формуле (4), может быть увеличено в 1,2 раза при уменьшении размеров фун­дамента. При этом повышенное давление не должно вызвать деформации основания более 0,5S_u.

2.9. КОНСТРУИРОВАНИЕ СТОЛБЧАТОГО ФУНДАМЕНТА

Столбчатый фундамент состоит из плиты и подколонника, который имеет углубление (стакан) для заделки сборной железобетонной колонны или выполняется без него (при сопряжении фундамента с металлической или железобетонной фахверковой колонной).

Конструирование фундамента под железобетонную колонну начинают с оп­ределения размеров подколонника и стакана. Рекомендуется принимать типовые размеры верха фундамента (в зависимости от сечения колонны). Для ко­лонн с размером поперечного сечения 400х300 мм, 400х400 мм сечение подколонника принимать 900х900 мм; для колонн с поперечным сечением 500х400 мм, 500х500 мм, 600х400 мм, 600х500 мм сечение подколонника принимать 1200х1200 мм, а для колонн с поперечным сечением 700х400мм, 800х400 мм, 800х500 мм – 1500х1200 мм. Глубина стакана при этом составляет 900 мм.

Размеры фундамента должны быть модульными, в плане и по высоте кратны 300 мм, при этом высота ступеней равна 300 и 600 мм ( рис. 1).

Конструирование фундамента ступенчатой формы выполняют вначале в плоскости большего размера l. Для этого на отметке (– 0,150) откладывают соответ­ствующий размер подколонника симметрично оси фундамента. Количество ступеней — от одной до трех. При этом вылет ступеней по размеру должен быть не меньше высоты ступени (300, 450, 600 и 900 мм). Аналогично конструируют фундамент в направлении короткой стороны b. В результате число ступеней по обеим его сторонам не должно отличаться более чем на одну. Желательно же одинаковое их количество.

На строительной площадке предпочтительно применять столбчатые фунда­менты из монолитного тяжелого бетона классов В10, В12,5, В15, В20 (с минимальной маркой по морозостойкости F50).

Плитная часть фундамента проверяется расчетом на продавливание /10/. При этом продавливающая сила должна быть воспринята бетонным сечением, как правило, без постановки поперечной арматуры.

Следует различать две схемы расчета на продавливание:

при сопряжении сборной колонны с высоким фундаментом с высотой подколонника, удовлетворяющей условию h_cf — d_p ≥ 0,5(l_cf — l_c), где h_cf – высота подколонника; d_p – глубина стакана; l_cf – длина поперечного сечения подколонника; l_c – длина поперечного сечения колонны (в этом случае продавливание плитной части рассматривается от низа подколонника на действие продольной силы N и изгибающего момента M);

при сопряжении сборной колонны с низким фундаментом (в этом случае расчет ведется на продавливание колонной от дна стакана при действии только продольной силы N).

Фундамент армируется следующим образом: плита — сеткой С1 из стержней класса AIII и диаметром не менее 10 мм вдоль стороны с размером до 3 м и 12 мм при размере больше 3 м с шагом 200 мм (рис.1); подколонники — двумя сетками С2 из стержней класса AI и AIII. Продольная рабочая арматура класса АIII диаметром не менее 10 мм ставятся с шагом 200 мм, а поперечная арматура класса АI диаметром не менее 6 мм с шагом 600 мм. Подбор диаметра арматуры осуществляется в результате расчета фундамента по прочности при руководстве пособием. /10/

Кроме этого, армируется стакан столбчатого фундамента. Поперечную арма­туру назначают конструктивно в виде сеток С-3 из парных стержней Æ8 AIII с шестью сетками при наибольшем значении эксцентриситета (е > l_c/2) и с пятью сетками в ос­тальных случаях. Шаг сеток в первом варианте 50+2х100+2х200, во втором варианте 50+2х100+200. Верхняя сетка заглублена от обреза на 50 мм, нижняя ставится выше торца колонны не менее чем на 50мм.

Под фундаментом, как правило, устраивается подготовка из бетона В 3,5 толщиной 100 мм (с выпуском за грань плиты фундамента не менее чем на 150 мм). При этом толщина защитного слоя бетона принимается равной 35 мм. Подготовку можно не устраивать на крупнообломочных грунтах, в этом случае защитный слой бетона имеет толщину 75 мм.

Для опирания наружных стен и сооружения цоколя необходимо предусмотреть фундаментные балки (табл.15). Размеры их зависят от шага колонн, ширины наружных стен и размеров подколонника. Для зданий с навесными панелями и шагом колонн 6 м рекомендуется применять балки 2БФ и 3БФ, а при шаге колонн 12 м – балки 5БФ и 6БФ. Фундаментные балки, как правило, опираются на бетонные столбики, ширина которых должна быть не менее максимальной ширины балки, а обрез на отметке — 0,35м или — 0,65 м (в зависимости от ее высоты).

Источник