Расчет оснований зданий

Нормативное давление на грунт основания

В данном разделе приводится упрощенный метод выбора нормативного давления на грунт основания; определение размеров подошвы центрально- и внецентренно загруженных фундаментов; упрощенный метод расчета осадки фундамента с учетом загружения соседних фундаментов и площадей: упрощенный метод расчета устойчивости фундаментов при действии вертикальной нагрузки.

Всякое надземное сооружение несет те или иные нагрузки, включая собственный вес. Обычно они передаются через фундаменты на основание, состоящее, как правило, из слоев грунта или скальных пород.

Материалы, из которых возводятся фундаменты (каменная кладка, бетон, железобетон), во много раз прочнее и обладают существенно меньшей деформативностью, чем грунты даже хорошего качества (песок, глина и т. п.). По этой причине при проектировании фундаментов значительное внимание приходится уделять вопросам обеспечения устойчивости (прочности) основания и оценке деформаций грунтов, в результате которых развивается осадка фундаментов и, следовательно, сооружения.

Развитие неравномерных осадок в отдельных точках сооружения может привести к недопустимому его искривлению. Поэтому главной заботой при проектировании фундаментов является выбор таких основных размеров его (глубины заложения и размеров подошвы), при которых деформации грунтов основания не приводили бы к чрезмерным неравномерным осадкам. Следовательно, размеры подошвы фундаментов приходится устанавливать с учетом деформации грунтов в основании. Кроме того, иногда необходимо производить проверку устойчивости основания.

На сооружениях иногда возникали трещины вследствие того, что отдельные фундаменты получали неодинаковые (неравномерные) осадки от нагрузок, которые значительно меньше нагрузок, приводящих к потере устойчивости грунтов основания.

По этой причине проектирование фундаментов по допускаемому давлению на грунт не гарантировало сохранное состояние сооружений. В то же время во многих случаях фундаменты возводились с большим неоправданным запасом.

Несущие конструкции зданий и сооружений должны в некоторых случаях выбираться в зависимости от ожидаемых деформаций грунтов основания (осадок).

Фундаменты рекомендуется проектировать по предельным состояниям. При этом фундаменты промышленных и гражданских зданий и сооружений в подавляющем большинстве случаев достаточно рассчитать по предельному состоянию по деформации. Однако существующие методы расчета деформации грунтов оснований (осадки) сравнительно громоздки и в ряде случаев, особенно при учете загружения соседних фундаментов, не отражают фактическое развитие осадок.

При проектировании несущих конструкций зданий и сооружений следует помнить, что они работают совместно с грунтами основания и что деформации последнего в известной степени отражаются на деформации несущих конструкций. Расчет по предельному состоянию по деформации позволяет выявить ожидаемые искривления сооружения и в некоторых случаях, изменяя размеры подошвы фундаментов, несколько уменьшить (смягчить) эти искривления. Иногда более правильным решением может быть внесение изменений в характер несущих конструкций с целью уменьшения их чувствительности к возможным неравномерным осадкам при данном основании. О таком решении задачи не следует забывать, так как оно может оказаться наиболее рациональным.

Причины развития неравномерных осадок уплотнения грунта

Основным в расчете фундаментов является расчет осадок, в связи с чем необходимо отметить, что фактические осадки при неправильном производстве работ по возведению фундаментов могут существенно отличаться от расчетных.

Рис.1. Причины развития неравномерных осадок уплотнения грунта

а — выклинивание слоев; б — линзообразное залегание; в —неодинаковая мощность слоев; г — неравномерное распределение включений; д — различие в напряжениях p_z под узким и широким фундаментами; е — влияние затруднения соседних фундаментов; ж — неодновременная загрузка фундаментов; з — неполное загружение фундаментов; и — заложение фундаментов на разной глубине на неодинаково сжимаемых грунтах; 1 — быстрая загрузка фундамента; 2 — его осадка; 3 — медленная загрузка соседнего фундамента; 4 — его осадка во времени; 5 — проектная загрузка фундамента; 6 — его осадка; 7 — неполная загрузка фундамента; 8 — его осадка.

Если под всеми точками сооружения суммарная осадка будет одинакова (равномерная осадка), то сооружение переместится по вертикали без искривлений. Такие случаи исключительно редки; чаще осадки неравномерны.

Осадки уплотнения очень часто неравномерны по следующим основным причинам (рисунок 1):

а) выклинивание отдельных слоев грунта основания в пределах контура здания;

б) линзообразное залегание отдельных видов грунта;

в) неодинаковая мощность слоев грунта в основании;

г) неодинаковая плотность грунта в основании или неравномерное распределение различных включений (торфянистых, валунов и др.);

д) неодинаковая нагрузка на фундаменты сооружений, а следовательно, неодинаковые размеры подошвы отдельных фундаментов при одной и той же интенсивности давления по их подошве;

е) большее влияние загружения соседних фундаментов на осадку фундаментов в средней части сооружения и меньшее — на осадку крайних и угловых фундаментов:

ж) неодновременное загружение фундаментов в период постройки сооружений;

з) загружение части фундаментов нагрузкой, меньше проектной;

и) заложение фундаментов на различной глубине на неодинаково сжимаемые грунты.

Эти причины могут привести к развитию недопустимых деформаций зданий и сооружений при наличии в основании относительно сильно сжимаемых слоев грунта, а также при больших нагрузках, передаваемых на фундаменты.

Величины ожидаемых неравномерностей осадок уплотнения в большинстве случаев устанавливаются расчетом, если, конечно, известно в деталях напластование грунтов и их сжимаемости (модуль деформации или коэффициент относительной сжимаемости). При малой сжимаемости грунтов основания ожидаемая неравномерность осадки, как правило, не превышает допустимых величин.

Осадка разуплотнения S_разуп развивается под действием нагрузки, не превышающей величину природной, т. е. нагрузки, равной весу вынутого грунта при откопке котлована. Это объясняется тем, что при удалении грунта из котлована и уменьшении гидростатического давления происходит разуплотнение грунтов. Кроме того, в результате возникновения в основании нового напряженного состояния под действием давления грунта, располагающегося вокруг дна котлована, развиваются упругие деформации, что приводит к неравномерному поднятию дна котлована, а в последующем к неравномерным осадкам. Это происходит по следующим причинам:

1) неодинаковое поднятие дна котлована вследствие причин, вызывающих неравномерные осадки уплотнения (см. рисунок 1, а, б, в, г, и);

2) большее вспучивание грунтов под центральной частью котлована, чем по краям и в углах;

3) различная продолжительность времени, в течение которого разуплотняются грунты основания под отдельными частями сооружения.

В большинстве случаев при возведении зданий и промышленных сооружений на фундаментах, имеющих заглубление не более 5,0 м, осадки разуплотнения незначительны. Они развиваются преимущественно в период возведения самих фундаментов, устройства обратной засыпки до возведения надземных несущих конструкций и, как правило, почти не отражаются на деформации надземных конструкций.

Влияние осадок разуплотнения следует учитывать при отрывке глубоких котлованов и устройстве фундаментов, вес которых вместе с обратной засыпкой меньше веса вынутого грунта из котлована.

Осадка разуплотнения S_разуп может быть определена расчетом аналогично осадке уплотнения, но при этом вместо деформативной характеристики сжимаемости грунта следует принимать характеристику его набухаемости с учетом фактора времени, в течение которого грунты основания получают разгрузку.

Осадки выпирания S_Вып развиваются за счет пластических деформаций грунтов, сопровождающихся процессом выдавливания их из-под фундаментов в стороны. Если напряжения по подошве фундаментов не превосходят величину нормативного давления, то осадки за счет развития пластических деформаций незначительны.

Наибольшее влияние на развитие неравномерных осадок могут оказать осадки расструктуривания, вызванные нарушением структуры грунтов основания при отрывке котлованов и устройстве фундаментов. Эти осадки связаны с увеличением сжимаемости и уменьшением сопротивления грунтов сдвигу при нарушении структуры, поэтому очень часто зависят от способа производства земляных работ, характера водоотлива, продолжительности работ с момента начала отрывки котлована до момента обратной засыпки грунта за пазухи фундаментов, а также от мероприятий, направленных на сохранение структуры грунтов основания.

К причинам развития неравномерных осадок расструктуривания грунтов основания относятся (рисунок 2) метеорологические воздействия, воздействия грунтовых вод и газа, динамические воздействия механизмов и грубые ошибки строителей.

В результате метеорологических воздействий может происходить (см. рис. 2):

а — пучение при промерзании и просадка при оттаивании грунтов в основании и около фундаментов как при устройстве фундаментов, так и во время возведения самого сооружения;

б — набухание и размягчение грунтов основания вследствие увлажнения их атмосферными осадками;

в — высыхание грунтов основания под действием солнечной радиации и ветра.

Вследствие воздействия грунтовых вод и газа может происходить расструктуривание грунта (см. рис. 2):

г, д — в результате деформации и разрушения слоев грунта под действием гидростатического давления;

е — под воздействием гидродинамического давления;

ж — из-за механической суффозии грунта потоками грунтовых вод, поступающих в котлованы или приямки.

Расструктуривание наблюдается также в результате расширения и выделения растворенного газа при уменьшении гидростатического давления в грунтовой воде.

Динамические воздействия механизмов могут привести к существенному нарушению структуры грунта ниже дна котлована. К динамическим воздействиям особо чувствительны водонасыщенные пылеватые грунты (супеси, суглинки, ленточные глины).

Исследования показывают, что простое перемятие грунта с сохранением его влажности и объемного веса часто приводит к резкому уменьшению сопротивляемости его сдвигу преимущественно за счет уменьшения сцепления и увеличению сжимаемости в 2 и более раз.

Рис.2. Причины неодинакового разрушения структуры грунтов основания под действием метеорологических факторов и грунтовых вод

а — промерзание грунтов под фундаментами; б — набухание и размягчение грунтов ливневыми водами: 1 — граница промерзания; 2 — вода в котловане; 3 — зона размягчения; в — высыхание грунтов; г — деформация слоя глины гидростатическим давлением; д — деформация прослойков ленточных глин и суглинков гидростатическим давлением; е — развитие гидродинамического давления в водопроницаемом грунте; ж — суффозия грунта из основания

Кроме изложенных выше причин, иногда имеет место нарушение структуры грунтов основания из-за грубых ошибок строителей. К ним чаще всего относятся: перебор грунта и некачественная его обратная укладка; разработка глубоких котлованов около фундаментов, имеющих существенно меньшую глубину заложения; преждевременная откопка котлованов; затопление котлована производственными или хозяйственными водами.

Осадки расструктуривания должны быть сведены к минимальной величине путем правильного выбора способа производства строительных работ, обеспечивающего сохранение структуры грунтов основания.