Условие устойчивости фундамента при

§ 39. Расчет фундаментов на устойчивость против опрокидывания и сдвига

Расчет фундамента на устойчивость должен исключать возможность его опрокидывания, сдвига по основанию и сдвига совместно с грунтом по некоторой поверхности скольжения. Фундамент считают устойчивым, если выполняется условие (6.1), в котором под F понимают силовое воздействие, способствующее потере устойчивости (опрокидыванию или сдвигу) фундамента, а под Fu — сопротивление основания или фундамента, препятствующее потере устойчивости. Расчеты устойчивости выполняют по расчетным нагрузкам, полученным умножением нормативных нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке. Если для одной и той же нагрузки нормами предусмотрены два коэффициента надежности, то в расчете учитывают тот из них, при котором будет меньший запас устойчивости.

Рис. 7.7. Схема к расчету фундамента на устойчивость против опрокидывания

При расчете фундаментов опор мостов на устойчивость против опрокидывания все внешние силы, действующие на фундамент (включая его собственный вес), приводят к силам Fv, Qr и моменту Мu (рис. 7.7). Силы Fv и Qr равны проекциям всех внешних сил соответственно на вертикаль и горизонталь, а момент Ми равен моменту внешних сил относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента перпендикулярно расчетной плоскости. Момент Ми способствует опрокидыванию фундамента (повороту его вокруг оси О — см. рис. 7.7). Момент Mz, сопротивляющийся опрокидыванию, будет равен Fva, где а — расстояние от точки приложения силы Fv до грани фундамента, относительно которой происходит опрокидывание.

Устойчивость конструкций против опрокидывания следует рассчитывать по формуле
Ми≤(ус/уn)Мz, (7.5)
где Мu и Мz — моменты соответственно опрокидывающих и удерживающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) конструкции, проходящей по крайним точкам опирания, кН·м; ус — коэффициент условий работы, принимаемый при проверке конструкций, опирающихся на отдельные опоры, для стадии строительства равным 0,95; для стадии постоянной эксплуатации равным 1,0; при проверке сечений бетонных конструкций и фундаментов на скальных основаниях, равным 0,9; на нескальных основаниях — 0,8; уn — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1 при расчетах для стадии постоянной эксплуатации и 1,0 при расчетах для стадии строительства.

Опрокидывающие силы следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке, большим единицы.

Удерживающие силы следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке для постоянных нагрузок Уf где µ — коэффициент трения фундамента по грунту.

В соответствии с требованиями СНиП 2.05.03—84 устойчивость конструкций против сдвига (скольжения) следует рассчитывать по формуле
Qr≤(yc/yn)Qz, (7.6)
где Qr — сдвигающая сила, кН, равная сумме проекций сдвигающих сил на направление возможного сдвига; ус — коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,9; уn — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый как и в формуле (7.5); Qz — удерживающая сила, кН, равная сумме проекций удерживающих сил на направление возможного сдвига.

Сдвигающие силы следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке, большим единицы, а удерживающие силы — с коэффициентом надежности по нагрузке, указанным в экспликации к формуле (7.5).

В качестве удерживающей горизонтальной силы, создаваемой грунтом, допускается принимать силу, значение которой не превышает активного давления грунта.

Силы трения в основании следует определять по минимальным значениям коэффициентов трения подошвы фундамента по грунту.

При расчете фундаментов на сдвиг принимают следующие значения коэффициентов трения µ кладки по грунту:

Источник

Пример расчета устойчивости фундамента по условиям воздействия касательных сил морозного выпучивания

Для примера расчета устойчивости фундаментов приняты следующие грунтовые условия площадки строительства:

1) растительный слой 0,2 м;

2) суглинок покровный, желто-коричневый от 0,2 до 4,5 м; объемный вес грунта 1,9 г/см 3 ; природная влажность колеблется от 24 до 27%; влажность на границе раскатывания 18%; на пределе текучести 30%; число пластичности 12; залегание уровня грунтовых вод на глубине 2,8 м от дневной поверхности. Суглинок мягкопластичной консистенции — по природной влажности и условиям увлажнения относится к сильнопучинистому.

Требуется проверить монолитный столбчатый железобетонный фундамент с анкерной плитой на устойчивость под действием сил морозного выпучивания (площадь анкерной плиты 1,4×1,4=1,96 м 2 ; сечение стойки 0,5×0,5 м; высота плиты 0,2 м).

Исходные данные для поверочного расчета следующие: N н — нормативная нагрузка от веса сооружения и фундамента с весом грунта на уступах, равная 40 т;Н— расчетная глубина промерзания грунта, равная 2 м;h₁— глубина заложения фундамента, равная 2,2 м; δ_об— объемный вес грунта, равный 2 т/м 3 ; τ н — 1 кг/см 2 ;F_т=20×140×4=11200 см 2 ;f_т— 0,2 кг/см 2 ;n=1,1;n₁=0,9;F — 200×200=40000 см 2 .

По формуле (3) получим (40+0,2×11200)0,9

где n₁,N н ,n,τ н ,F — обозначения те же, что и в формуле (4.3);

F_ф— площадь подошвы фундамента, см;

h₁— глубина промерзания грунта, считая от подошвы фундамента, см;

σ н — нормативное значение нормального давления морозного пучения, создаваемое 1 см промороженного слоя грунта, кгс/см 3 .

Значение σ н принимается в зависимости от степени пучинистости грунта и от размеров площади подошвы фундамента на основании опытных данных по табл. 2.

Наименование грунта по степени морозной пучинистости

При площади подошвы фундамента, см 2

Глубину промерзания грунта под подошвой фундамента h₁при незаглубленных фундаментах надлежит ограничивать не более 1 м, а для заглубленных фундаментов более 0,5 м, слой мерзлого грунта рекомендуется принимать не более 0,5 м.

Пример расчета устойчивости отдельностоящего железобетонного анкерного фундамента на совместное действие касательных и нормальных сил морозного выпучивания

Для примера расчета примем следующие данные:

1) грунт суглинок до глубины 150 см мягкопластичной консистенции, по степени морозной пучинистости относится к среднепучинистому; ниже залегает плотный суглинок твердой и полутвердой консистенции, по степени морозной пучинистости относится к слабопучинистому;

2) фундамент столбчатый сечением 50×50 см с анкерной плитой сечением 100×100 и высотой 25 см; Н н — нормативная глубина промерзания, равная 2,2 м;h — глубина заложения фундамента, равная 1,8 м;h_а=1,8–0,25=1,55;h₁=40 см;γ_cp — средний объемный вес грунта, равный 2 т/м 3 ;F_ф=100×100=10000 см 2 ;F_a=(100×100)–(50×50)=7500 см 2 ;F=(155×200)+(25×400)=41000 см 2 =4,1 м 2 ; τ н =0,8 кгс/см 2 ; σ н =0,02 кгс/см 3 ;Q н =2γ_cpF_ah_a=2×2×0,75×1,55=4,65 т;n₁=0,9;n=1,1;N н — нормативная нагрузка на фундамент 40 т.

Подставляя значения в формулу (6), получим 0,9(40+4,65

Подставляя значения величин из приведенного примера расчета устойчивости фундамента и решая уравнение, получим h₁=25 см. Следовательно, можно заглубить фундамент не на 1,8 м, а на 1,95 см и тогда условие устойчивости фундамента будет соблюдаться.

Примечание. По формуле (6) предусмотрены два коэффициента перегрузкиn₁=0,9 иn=1,1, т.е. нагрузка на грунт под подошвой фундамента снижается на 10%, а сила морозного выпучивания увеличивается на 10%. Скорееn₁будет коэффициентом недогрузки. В нашем примере логичнее было бы коэффициентnпринимать равным 1, потому как по сути никакой перегрузки нет.

4.23. Во избежание деформаций каменных легких зданий следует фундаменты под стены на сильнопучинистых грунтах применять монолитными с анкерами по расчету на действие касательных сил морозного выпучивания. Сборные блоки и фундаментные башмаки надлежит замоноличивать по расчету на разрыв.

Рекомендуется отдавать предпочтение таким конструкциям фундаментов, которые позволяют механизировать процесс производства строительных работ и сократить объем земляных работ по рытью котлованов, а также транспортировку, обратную засыпку и трамбовку грунта при засыпке пазух. На сильно- и среднепучинистых грунтах этому условию удовлетворяют столбчатые, свайные и анкерные свайные фундаменты, при устройстве которых не требуется производить больших объемов земляных работ.

4.24. При строительстве малоэтажных зданий на сильнопучинистых грунтах рекомендуется проектировать крыльцо на сплошной железобетонной плите, по гравийно-песчаной подушке толщиной 30-50 см (верх плиты должен быть ниже пола в тамбуре на 10 см с зазором между крыльцом и зданием 2-3 см). Для капитальных каменных зданий следует предусматривать устройство крылец на сборных железобетонных консолях с зазором между поверхностью грунта и низом консолей не менее 20 см; при столбчатых или свайных фундаментах следует предусматривать промежуточные опоры, с тем чтобы расположение столбов или свай под наружные стены совпадало с местом установки консолей для крылец.

4.25. При наличии местных дешевых строительных материалов (песок, гравий, щебень, балласт и др.) или непучинистых грунтов вблизи строительной площадки целесообразно устройство под зданиями или сооружениями сплошных подсыпок толщиной на 2 /₃нормативной глубины промерзания или засыпок пазух с наружной стороны фундаментов из непучинистых материалов или грунтов (щебень, гравий, галька, пески крупные и средние, а также шлаки, горелые породы и другие горнопромышленные отходы).

Осушение дренирующих засыпок в пазухах и подушек под фундаментами при наличии водопоглощающих грунтов ниже пучинистого слоя должно осуществляться путем сброса воды через дренирующие скважины или воронки. При проектировании фундаментов на подсыпках следует руководствоваться «Указаниями по проектированию и устройству фундаментов и подвалов зданий и сооружений в глинистых грунтах по методу дренирующих прослоек».

4.26. При строительстве зданий и сооружений на пучинистых грунтах из сборных конструкций пазухи необходимо засыпать с тщательным уплотнением грунта немедленно после укладки цокольного перекрытия; в остальных случаях пазухи должны засыпаться с утрамбовкой грунта по мере возведения кладки или монтажа фундаментов.

4-27. Проектирование заглубления фундаментов в пучинистых грунтах на расчетную глубину промерзания грунтов с учетом теплового влияния зданий и сооружений принимается по главе СНиПпо проектированию оснований зданий и сооружений в тех случаях, когда они не будут перезимовывать без предохранения грунтов от промерзания в период строительства и после его окончания до ввода здания в постоянную эксплуатацию с нормальным отоплением или когда они не будут находиться в длительной консервации.

4.28. При проектировании на пучинистых грунтах фундаментов промышленных зданий, строительство которых длится в течение двух — трех лет (например, теплоэлектростанции), в проектах следует предусматривать мероприятия по предохранению грунтов оснований от увлажнения и промерзания.

4.29. При строительстве малоэтажных зданий следует предусматривать декоративные цокольные обшивки с засыпкой пространства между цоколем и заборной стенкой малотеплопроводными и невлагоемкими материалами (опилками, шлаком, гравием, сухим песком и различными отходами горной промышленности).

4.30. Замену пучинистого грунта непучинистым у фундаментов отапливаемых зданий и сооружений рекомендуется производить только с наружной стороны фундаментов. Для неотапливаемых зданий и сооружений замену пучинистого грунта непучинистым рекомендуется производить с обеих сторон фундаментов под наружные стены и также с обеих сторон фундаментов под внутренние несущие стены.

Ширина пазухи для засыпки непучинистым грунтом определяется в зависимости от глубины промерзания грунтов и от гидрогеологических условий грунтов оснований.

При условии отвода воды из засыпок пазух и при глубине промерзания грунтов до 1 м ширина пазухи для засыпки непучинистого грунта (песка, гравия, гальки, щебня) достаточна в 0,2 м. С заглублением фундаментов от 1 до 1,6 м минимально допустимая ширила пазухи для засыпки непучинистого грунта должна быть не менее 0,3 м, и при глубине промерзания грунтов от 1,5 до 2,5 м пазуху желательно засыпать на ширину не менее 0,5 м, Глубина засылки пазух в данном случае принимается не менее ¾ глубины заложения фундамента, считая от планировочной отметки.

При невозможности отвода воды из непучинистого грунта засыпку пазух ориентировочно можно рекомендовать на ширину, равную на уровне подошвы фундамента 0,25-0,5 м и на уровне дневной поверхности грунта не менее расчетной глубины промерзания грунтов с обязательным перекрытием непучинистого материала засыпки отмосткой с асфальтовым покрытием.

Источник

Устойчивость фундаментов малоэтажных домов в пучинистых грунтах

Основания при проектировании фундаментов рассчитывают по несущей способности и по деформациям. Расчет по несущей способности производят в отдельных случаях, например, когда на основания передаются значительные горизонтальные нагрузки от подпорных стен, а также при строительстве в сейсмических районах, при сооружении арочных конструкций и т. д. (в данной статье эти случаи мы не рассматриваем).

Расчет по деформациям нужно выполнять во всех случаях.

Для строительства тяжелых объектов промышленности и жилых многоэтажных домов основным является расчет по деформациям осадок.

Предельные значения совместной деформации основания и фундаментов устанавливают из необходимости соблюдения архитектурных требований, прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций.

При строительстве же легких малоэтажных домов на пучинистых грунтах помимо расчета по осадкам нужно производить расчеты и по деформациям пучения, и на устойчивость, которые являются главными и обязательными. В этом заключается специфика проектирования фундаментов легких малоэтажных домов.

Механизм морозного пучения. Остановимся подробнее на взаимодействии фундаментов с пучинистыми грунтами. Необходимо отметить, что силы пучения подразделяют на нормальные, действующие на подошву фундаментов, и касательные, действующие по боковой поверхности (рис. 1). В процессе промерзания грунта сначала действуют только касательные силы пучения.

Надежность фундаментов коттеджей, усадебных и дачных домов в первую очередь определяется их устойчивостью. Под устойчивостью подразумевается такое взаимодействие пучинистого грунта с фундаментом, при котором не происходит отрыва его подошвы от основания под действием касательных сил морозного пучения.

Если касательные силы пучения превышают нагрузку от дома, то происходит подвижка фундамента вверх вместе с промерзающим пучинистым грунтом и под подошвой образуется полость, в которую попадает грунт обратной засыпки (рис. 2 б, в). Поэтому весной фундамент не приходит в исходное положение. При устройстве монолитных ленточных фундаментов «в распор» грунт попадает в полость со стен траншей (котлованов) весной при осадке его после оттаивания.

Во всех случаях в результате образования полости создаются условия для возникновения остаточных деформаций пучения. Такие деформации характеризуют неустойчивое состояние фундаментов. Деформации накапливаются с годами и приводят в конечном итоге к повреждению конструкций дома. Повреждения могут произойти и за один зимний сезон.

Особенно дорого обходятся такие деформации в домах с цокольными этажами и техническими подпольями при наличии грунтовых вод. Самые лучшие специалисты по гидроизоляции, используя новейшие материалы, бессильны исправить положение, если устойчивость заглубленных в грунт конструкций не обеспечена. Незначительные подвижки заглубленных стен цокольного этажа приводят к нарушению гидроизоляции. Исправленнной гидроизоляции хватает на один год, так как подвижки повторяются ежегодно. Поэтому потеря устойчивости фундаментов, в том числе стен цокольного этажа, недопустима.

Обеспечение устойчивости. Известен строительный прием, успешно применяемый при больших нагрузках, когда для исключения воздействия нормальных сил пучения на подошву фундаментов их заглубляют ниже расчетной глубины промерзания. Если при этом касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов, меньше нагрузок от дома, то фундаменты устойчивы, а сам дом можно отнести к категории «тяжелых» домов.

Под такими домами столбчатые и ленточные фундаменты могут быть сборными, монолитными или комбинированными. При устройстве фундаментов в траншеях и котлованах обратную засыпку в этом случае можно выполнять любым грунтом (если устойчивость подтверждена расчетом), в том числе местным пучинистым, извлеченным из выработок.

Если при заглублении фундаментов ниже расчетной глубины промерзания касательные силы пучения превышают нагрузки от дома, то его можно отнести к категории «легких» домов. В таких домах для обеспечения устойчивости фундаментов могут быть применены два варианта их устройства.

1й вариант. Заглубляя подошву фундаментов ниже расчетной глубины промерзания, необходимо принять меры по снижению воздействия сил пучения по их боковой поверхности. Для этого рекомендуется устройство обратной засыпки из непучинистого грунта, уширение пазух обратной засыпки, «устройство защиты сезоннопромерзающего грунта вблизи фундамента от избыточного увлажнения, покрытие поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта консистентной смазкой, полимерной пленкой, засоление грунтов веществами, не вызывающими коррозии бетона и арматуры, и др.».

2й вариант. Подошвы фундаментов закладывают на такую глубину, при которой касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности во время промерзания грунта до подошвы, не превышают нагрузки от дома (рис. 2 г). При этом снижение касательных сил пучения достигается как за счет выглубления фундаментов, так и за счет увеличения ширины пазух обратной засыпки, заполняемых непучинистым грунтом. Такие фундаменты называют мелкозаглубленными. Их не следует путать с фундаментами, произвольно закладываемыми в пределах расчетной глубины промерзания.

Ограничение деформаций пучения при дальнейшем промерзании грунта величинами, безопасными для конструкций дома, достигают применением противопучинной подушки и устройством фундаментов в виде пространственно жесткой рамы, все части которой объединены в единую конструкцию. В средне и сильнопучинистых грунтах сборные фундаменты под легкими домами не применимы. Применение же столбчатых фундаментов в таких грунтах ограничено по условию недостаточной пространственной жесткости.

Как показала практика строительства коттеджей, усадебных и дачных домов, мелкозаглубленные фундаменты при обеспечении надежности более экономичны, чем заглубленные фундаменты. Расход бетона снижается в 2…Зраза, трудоемкость и стоимость изготовления — в 1,5…2 раза.

Расчет на устойчивость. Независимо от вариантов устройства фундаментов при строительстве на пучинистых грунтах в обязательном порядке должен выполняться расчет устойчивости фундаментов на действие касательных сил пучения.

Методика расчета на устойчивость столбчатых и ленточных фундаментов бесподвальных малоэтажных домов имеет свои отличия от расчета на устойчивость заглубленных в грунт конструкций коттеджей с цокольным этажом.

В общем случае условие устойчивости может быть представлено в следующем виде:

(1)

где Qf – суммарные касательные силы пучения, действующие по боковой поверхности фундаментов;

Qд – нормативная нагрузка от дома;

F – удерживающая сила трения талого грунта по боковой поверхности фундамента, залегающего ниже глубины промерзания;

y1,y2 – коэффициенты надежности, равные 1,1 и 0,9 соответственно.

Формула применима для фундаментов, заглубленных существенно ниже расчетной глубины промерзания. Так как заглубление ленточных и столбчатых фундаментов под малоэтажными домами незначительно превышает расчетную глубину промерзания, то удерживающими силами трения талого грунта из-за их малости можно пренебречь. Например, для Московской области, при расчетной глубине промерзания под неотапливаемыми домами 1,54м заглубление фундаментов по 1му варианту устройства обычно принимают равным 1,6…1,7м.

Коттеджи и усадебные дома относятся к зданиям II уровня ответственности. В таких домах Нормами требуется дифференцированный подход к определению устойчивости фундаментов в различных частях дома. Поэтому при расчетах рассматриваем нагрузки, приходящиеся на 1 погонный метр фундаментов.

Суммарную величину касательных сил пучения, приходящуюся на единицу длины фундамента, определяют по формуле

где Тр – значение расчетной удельной касательной силы пучения;

m – коэффициент, учитывающий ширину пазухи и грунт, используемый для обратной засыпки;

w – коэффициент, учитывающий тепловой режим дома;

Sф – площадь боковой поверхности фундамента.

Значение расчетной удельной касательной силы пучения определяют из выражения:

где Тн — значение удельной касательной силы пучения — определяют по табл. 41 Пособия к СНиП. Например, для Московского региона тн равно 7; 9; 11 тс/м2 для слабо, средне и сильнопучинистых грунтов соответственно;

k — коэффициент, учитывающий соотношение среднемесячной температуры воздуха при промерзании грунта на глубину заложения фундаментов и среднемесячной максимальной температуры воздуха за зимний период. Для фундаментов, заглубленных ниже расчетной глубины промерзания, к = 1, для мелкозаглубленных определяют по табл. 1.

Значения коэффициента m при укладке в пазухи траншей и котлованов непучинистого грунта (крупного или средней крупности песка) определяют по табл. 2. При заполнении пазух мелким песком значения коэффициента m следует увеличивать в 1,4 раза. При заполнении пазух местным пучинистым грунтом, в том числе пылеватым песком, независимо от ширины пазухи, m = 1.

Величину Sф определяют:

— для ленточных фундаментов Sф = dL;

— для столбчатых фундаментов Sф = dП/2, где

d — глубина промерзания, равна:

dfp — при заглубленных фундаментах,

dф — при мелкозаглубленных фундаментах;

dfp — расчетная глубина промерзания;

dф — глубина заложения фундамента;

L — длина ленточного фундамента (при расчете нагрузок на 1 погонный метр1_= 1,0 м);

П — периметр столбчатого фундамента.

Коэффициент w, учитывающий тепловой режим дома определяют следующим образом:

— для неотапливаемых домов или неотапливаемых частей отапливаемого дома w=2;

— для наружных фундаментов отапливаемых домов w=1;

— для внутренних фундаментов отапливаемых домов w=0.

Для удобства практического пользования формулой (1) при различных сочетаниях исходных данных: конструкций фундаментов, глубине их заложения и теплового режима дома, ее выражения представлены в табл. 3.

Пример. Требуется рассчитать устойчивость ленточного фундамента, заглубленного ниже расчетной глубины промерзания, бесподвального неотапливаемого дома. Строительство осуществляется в Московской области. Нагрузка на фундамент (Од) составляет 10 тс/ м2 (немалая нагрузка для малоэтажного дома прим. авт.) Ширина подошвы фундамента определена равной 0,5 м. Грунт — сильнопучинистый.

— удельные касательные силы пучения (Тн) равны 11 тс/м2;

— расчетная глубина промерзания(dfp)1,6м;

— принимаем ширину траншеи равной 1,0м. В этом случае ширина пазухи, засыпаемой непучинистым грунтом, равна 0,25м; соответствующий ей коэффициент m определяем по табл.2 (m = 0,56).

Расчет выполняем по формуле (7) табл.3:

Qf = 2,44 11 0,56 1,6 = 24,0тс/м > Qд = 10тс/м.

Условие устойчивости не выполняется, поэтому принимаем решение увеличить ширину траншеи до 2,0м. В этом случае ширина пазухи будет равна 0,75м, m = 0,3.

Получаем: Qf = 2,44 11 0,3 1,6 = 12,9тс/м>Qд=10тс/м

Условие устойчивости не выполняется. Отказываемся от других ненадежных мероприятий и применим мелкозаглубленный фундамент с глубиной заложения 0,5м.

В этом случае по расчету ширина подошвы фундамента должна быть равна 0,9м. При минимальной пазухе 0,2м ширина траншеи составит 1,3м. Коэффициент m = 0,6. Коэффициент к определим по табл.1, к = 0,68. Получаем

Источник