3 Розрахунок та проектування фундаментів мілкого закладання

3.2 Визначення розмірів підошви стовпчастих та стрічкових фундаментів

3.2.1 Вибір глибини закладання фундаментів

У багатьох випадках чим вище закладається підошва, тим менша вартість робіт з спорудження фундаментів. Тому фундаменти бажано закладати по можливості на меншу глибину, але при цьому необхідно враховувати такий комплекс факторів.

1.                 Призначення та конструктивні особливості проектованої споруди (наявність підвалів, підземних комунікацій, сусідніх та примкнених будинків, підземних споруд, тощо). Фундаменти повинні розташовуватись нижче від підлоги підвалу не менше ніж на 0,5 м для стрічкових і 0,75 м для стовпчастих. Призначення глибини закладання підошви фундаменту в залежності від наявності або відсутності підвалу згідно з [4] показано на рис. 3.3.

2. Мінімальна конструктивна висота фундаменту у залежності від його виду (стовпчастий, стрічковий), способу стикування з колонною або стіною (див. §3.5).

3. Інженерно-геологічні умови будівельного майданчика (фізико-механічні властивості ґрунтів, характер напластувань, наявність шарів, які мають зсунутись один по одному, карстові порожнини та ін.).

а) при ширині підвалу В ≤ 20 м               б) при ширині підвалу В > 20 м Рисунок 3.3 – Глибина закладання підошви фундаменту

Рослинний шар ґрунту є сильно стисливим і його слід прорізати фундаментами. Фундамент рекомендується заглиблювати в несучий шар не менше ніж на 0,5 м. Не рекомендується використовувати як несучий шар такі ґрунти як крихкотілі, глинисті текучої консистенції (у тому числі мули), заторфовані, насипні і т.п.

Недоцільно залишати під підошвою фундаменту слабкий шар ґрунту невеликої товщини (1...2 м), якщо стисливість його значно більша від стисливості підстильного шару.

4. Гідрогеологічні умови будівельного майданчика та їх можливі зміни в процесі будівництва та експлуатації споруди. Щоб запобігти ускладненню виконання робіт, відмітку підошви фундаменту рекомендується призначати вище від рівня ґрунтових вод.

5. Величина та характер навантажень, які діють на фундамент.

6. Глибина сезонного промерзання ґрунтів.

Глибина сезонного промерзання ґрунтів враховується при призначенні глибини закладання фундаментів, коли є можливість здимання ґрунту при промерзанні. У цьому випадку глибина закладання фундаменту d призначається не менша від розрахункової глибини промерзання d_f, яка визначається за формулою [6]:

d_f = k_hd_fn,                                                                    (3.1)

де k_h - коефіцієнт, який враховує тепловий режим споруди за [6, табл. 1];

d_fn - нормативна глибина промерзання, яка визначається в залежності від виду ґрунту та кліматичних умов місцевості. Глибина промерзання усіх видів ґрунтів не перевищує у Вінниці 0,8 - 1 м і тому, враховуючи потужність рослинного шару (0,6-1 м) та вимогу п.2, підошва фундаменту майже завжди опиняється нижче глибини сезонного промерзання ґрунтів. Для споруд з підвалами ця вимога виконується автоматично.

3.2.2 Визначення розмірів підошви фундаментів

Розміри підошви фундаментів мілкого закладання, як правило, призначаються з розрахунку їх основи за II групою граничних станів. Для центрально навантажених фундаментів вони повинні задовольняти двом таким граничним умовам цієї групи

p £ R,     S £ S_u,                                                          (3.2)

де p - тиск (контактний) під підошвою фундаменту;

R - розрахунковий опір ґрунту основи;

S - фактична деформація (осадка) основи (розділ 5);

S_u - гранично допустима деформація для даної споруди.

Тиск під підошвою фундаменту:

                                                              (3.3)

де N - розрахункове навантаження (зосереджена сила), яка діє на фундамент із коефіцієнтом надійності за навантаженням g_f = 1 (оскільки розрахунок ведеться за II групою граничних станів), кН;

А - площа підошви фундаменту, м²;

g_mt - середнє значення питомої ваги матеріалу фундаменту та ґрунту на його уступах (g_mt = 20 kH/м³);

d - глибина закладання фундаменту, м.

Розрахунковий опір основи обчислюють за формулою [6, формула 7]:

,    (3.4)

де g_c1 та g_c2 - коефіцієнти умов роботи (табл.3.3), які залежать від виду ґрунту та жорсткості споруди [6, табл. 3];

k - коефіцієнт надійності, який приймається рівним 1, якщо характеристики ґрунту визначені безпосередніми випробуваннями, та 1,1, якщо вони визначені за таблицями (див. §2.3);

M_g, M_q , M_c - безрозмірні коефіцієнти (табл. 3.4), які визначаються відповідно до [6, табл.4], в залежності від величини кута внутрішнього тертя j;

k_z - коефіцієнт, який приймається при b < 10 м  k_z = 1, при b ³ 10 м
k_z = Z₀/b + 0,2 (тут Z₀ = 8 м);

b - ширина підошви фундаменту, м;

g_II - усереднене розрахункове значення питомої ваги ґрунтів, що залягають нижче від підошви фундаменту, кН/м³, - при наявності підземних вод визначається з урахуванням зважуючої дії води (див. формулу (5.4));

g’_II - теж саме, які залягають вище підошви;

С_II - розрахункове значення питомого зчеплення ґрунту, який залягає безпосередньо під підошвою фундаменту, кПа;

d₁ - глибина закладання фундаментів безпідвальних споруд від рівня планування, або приведена глибина закладання зовнішніх чи внутрішніх фундаментів від підлоги підвалу (рис. 3.2).

d₁ = h_S + h_cfg_cf / g’_II,                                                  (3.5)

де h_S - товщина шару ґрунту вище підошви фундаменту зі сторони підвалу, м;

h_cf - товщина конструкції підлоги підвалу, м;

g_сf - розрахункове значення питомої ваги матеріалу підлоги підвалу, кН/м³;

d_b - глибина підвалу - відстань від рівня планування до підлоги підвалу, м (для споруд з підвалом шириною В > 20 м) і глибиною більше 2м  d_b = 2 м, при ширині підвалу В > 20 м - d_b =0 (рис. 3.2).

Усереднення характеристик ґрунту при багатошаровій основі, яка складається із шарів товщиною h₁ ,h₂ і т.д., визначається за формулою

                                   (3.6)

При визначенні γ_сер нижче підошви фундаменту усереднення виконується на глибину не менше 0,5b.

Оскільки ширина фундаменту заздалегідь невідома, то в курсових та дипломних проектах виконується усереднення на глибину 2м від підошви фундаменту.

Таблиця 3.3 - Значення коефіцієнтів g_c1 і g_c2

Таблиця 3.4 - Значення коефіцієнтів М_γ, М_q та М_c

Розміри підошви позацентрово навантаженого фундаменту повинні задовольняти такі граничні нерівності II групи:

                                                        (3.7)

де P_max, (P_min) - максимальний (мінімальний) тиск під підошвою фундаменту (крайовий тиск), який визначається за однією з формул:

                                             (3.8)

де М_х, M_y - розрахункові значення згинаючих моментів, які діють відносно осей Х та Y підошви фундаменту, з коефіцієнтом надійності за навантаженням g_f = 1;

W_x, W_y - моменти опору підошви фундаменту відносно осей Х та Y, для прямокутної форми підошви W_x = bl²/6, W_y = b²1/6, причому в квадрат підноситься значення тієї сторони, в напрямку якої діє той чи інший момент;

l - ширина підошви;

P_{max кут} - максимальний тиск під кутом фундаменту для випадку, коли фундамент навантажений згинаючими моментами М_х та М_у одночасно:

                               (3.9)

P_cеp - середній тиск під підошвою фундаменту

                             (3.10)

R - визначається за формулою (3.4).

Рекомендується приймати співвідношення сторін підошви позацентрово навантаженого фундаменту k_c = 1/b = 1,2... 1,6 , причому більшу сторону фундаменту направляти в напрямку дії більшого моменту.

Обмеження на мінімальний тиск під підошвою фундаменту вводиться в залежності від характеру навантажень:

а) для фундаментів колон споруд з мостовими кранами вантажопідйомністю 750 кН (75 т) і більше, а також для фундаментів колон відкритих естакад з кранами вантажопідйомністю 150 кН (15 т) і більше, труб, домен та інших споруд баштового типу слід приймати тільки трапецієподібну епюру контактних напруг в ґрунті

P_min/P_max ³ 0,25;

б) для фундаментів колон з іншими крановими навантаженнями можна приймати трикутну епюру при повному дотику фундаменту з ґрунтом

P_min ³ 0;

в) у решті випадків допускається частковий відрив підошви фундаменту від ґрунту на величину не більше 1/4 l.

При визначенні розмірів підошви стрічкового фундаменту його розглядають як стовпчастий (позацентрово або центрально навантажений) шириною та довжиною l = 1 м (навантаження збирають на 1 м погонної довжини стрічкового фундаменту).

Стрічкові фундаменти рекомендується проектувати збірними з типових блок-подушок (див. §3.1). При необхідності їх встановлюють з розривом і тоді фундаменти проектують переривистими [4].

Розміри підошви фундаменту розраховують методом ітерацій (наближень) у такому порядку:

1. Призначають глибину закладання фундаменту згідно з п. 3.2.1.

2. Площу підошви в першому наближенні для будь-якого фундаменту мілкого закладання рекомендується визначати за формулою:

                                                     (3.11)

де R₀ - умовний (табличний) розрахунковий опір ґрунту основи, який визначається в залежності від виду ґрунту під фундаментом та його фізичних характеристик (див. §2.3).

Розміри підошви у першому наближенні для фундаменту:

квадратного        

прямокутного     

стрічкового         b₁ = A,   l₁ = 1 м,

де k_c = 1/b (задає проектувальник).

3. Визначають розрахунковий опір ґрунту основи R₁, за формулою (3.4), використовуючи одержане значення b₁; знову обчислюють площу підошви фундаменту за формулою (3.11). Такі ітерації виконують до тих пір, поки наступне значення буде відрізнятися від попереднього не більше як на 5-10%.

4. Перевіряють виконання нерівностей (3.2) - для центрально навантажених та (3.7) - для позацентрово навантажених фундаментів. Якщо хоч би одна з граничних нерівностей не виконується, необхідно збільшити розміри підошви фундаменту або глибину його закладання і знову перевірити виконання нерівностей (3.2) та (3.7). Ітерації виконують до тих пір, поки усі необхідні граничні нерівності будуть задоволені. Не треба приймати надто великі розміри, коли граничні нерівності виконуються з великим запасом (більше 10%). У цьому випадку рішення буде неекономічним і розміри підошви слід зменшити.

Для позацентрово навантажених фундаментів, у яких згинальні моменти спричинені постійно діючими навантаженнями, зменшення крайового тиску під підошвою можна досягнути також зміщенням центра ваги підошви в напрямку ексцентриситету е

                                                         (3.12)

Якщо зміщення виконано на величину ексцентриситету, то позацентрово навантажений фундамент стає центрально навантаженим, що покращує роботу ґрунту.