Расчет оснований

Расчет оснований и фундаментов на просадочных грунтах производится по деформациям, исходя из условия

s + s_sl ≤ s`_u (1.15)

где s – совместная деформация основания и здания или сооружения, определяемая как для обычных непросадочных грунтов в соответствии с их деформативными характеристиками, полученными при естественной влажности; s_sl - деформация основания, вызванная просадкой грунта; s`_u - предельно допустимая совместная деформация основания и здания или сооружения, принимаемая равной:

s`_u = s_u γ_s; (1.16)

здесь s_u - предельно допустимая деформация основания при неравномерной осадке фундаментов, определяемая как для обычных непросадочных грунтов; γ_s - коэффициент условий работы, учитывающий вероятность одновременного сочетания наиболее неблагоприятных условий по просадке и осадке и принимаемый: при s_sl < 2 s γ_s = 1, а при s_sl > 2 s γ_s = 1,25.

Выполнение условия (1.15) и тем самым обеспечение прочности, устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений осуществляется применением одного из следующих трех принципов:

устранения просадочных свойств грунтов путем их уплотнения (тяжелыми трамбовками, вытрамбовыванием котлованов, устройством грунтовой подушки, предварительным замачиванием, взрывами, пробивкой скважин) или закрепления (силикатизацией, обжигом);

прорезки просадочных грунтов свайными фундаментами (из забивных, буронабивных свай, набивных свай в пробитых скважинах, свай в эластичных оболочках, уплотненном грунте и др.) или столбами из закрепленного грунта;

комплекса мероприятий, включающего подготовку оснований, водозащитные и конструктивные мероприятия по расчету конструкций зданий и сооружений на прочность.

Первые два принципа направлены на полное устранение или снижение просадочных деформаций до предельно допустимых величин, а третий – на приспособление зданий и сооружений к возможным неравномерным просадкам грунтов в основаниях.

Выбор одного из принципов производится с учетом особенностей и типа грунтовых условий, вероятности замачивания грунтов основания, возможной величины просадки, жесткости и прочности проектируемых зданий и сооружений, их взаимосвязи с соседними объектами и коммуникациями и т.п.

В случаях, когда замачивание грунтов оснований исключается и возможно только медленное повышение их влажности, основания и фундаменты проектируются как на обычных непросадочных грунтах.

Расчетные сопротивления просадочных грунтов естественного сложения определяются в зависимости: от возможности и вида источника замачивания; от принятого метода обеспечения прочности и эксплуатационной пригодности зданий и сооружений; от конструкции, ширины и глубины заложения фундаментов; от прочностных характеристик грунтов основания. При отсутствии возможности замачивания просадочных грунтов прочностные характеристики грунтов должны приниматься:

при ω≥ω_р – по результатам испытания грунтов в состоянии природной влажности ω;

при ω<ω_р – по результатам испытания грунтов при влажности на границе раскатывания ω_р.

Расчетное сопротивление грунта основания R при возможном замачивании просадочных грунтов сверху или при подъеме уровня грунтовых вод определяется с учетом следующих требований:

при устранении возможности возникновения просадки оснований от нагрузки фундаментов путем снижения давления на грунт значение R не должно превышать величины начального просадочного давления р_sl;

при обеспечении прочности зданий и сооружений применением комплекса водозащитных и конструктивных мероприятий, назначаемых по расчету на возможные суммарные величины осадок и просадок основания, значение R определяется по формуле с использованием расчетных значений характеристик φ_l1 и с_l1, полученных для просадочных грунтов в водонасыщенном состоянии после их просадки;

при уплотнении и закреплении просадочных грунтов различными методами значение R определяется по формуле с использованием расчетных значений характеристик φ_l1 и с_l1, полученных для уплотненных и закрепленных до заданной плотности и прочности грунтов в водонасыщенном состоянии.

Предварительные размеры фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах, назначаются исходя из условных значений расчетных сопротивлений грунта R₀ (табл.1.3).

ТАБЛИЦА 1.3. УСЛОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

Грунт	R0, кПа, грунтов
природного сложения с γd, кН/м3	уплотненных с γd com, кН/м3
13,5	15,5
Супесь   Суглинок   Глина

П р и м е ч а н и я: 1. Над чертой даны значения, относящиеся к просадочным грунтам природного сложения со степенью влажности S_r ≤0,5 и при невозможности их замачивания; в знаменателе под чертой – значения, относящиеся к таким же грунтам со степенью влажности S_r ≥0,8, а также к грунтам с меньшей степенью влажности и при возможности их замачивания.

2. Для просадочных грунтов с промежуточными значениями γ_d значения R ₀ определяются интерполяцией.

При полном устранении просадочных свойств грунтов уплотнением или закреплением различными методами необходимо обеспечить, чтобы суммарное давление на кровлю подстилающего неуплотненного или незакрепленного слоя не превышало начального просадочного давления р_sl этого слоя, т.е. р_sl ≤σ_zg + σ_2p. В этом случае расчетное сопротивление R_с на уплотненный или закрепленный грунт по условию устранения просадки подстилающего слоя определяется по формуле

R_с = (р_sl - р_zg + αр_g)/α, (1.17)

где σ_2p – дополнительное напряжение на кровле подстилающего неуплотненного или незакрепленного слоя просадочного грунта от нагрузки фундамента; р_zg - природное давление на кровле этого слоя; р_g - природное давление на отметке заложения фундамента; α - коэффициент уменьшения дополнительного давления от фундамента на кровле неуплотненного или незакрепленного слоя.

Рис.1.4. Схема и расчетные параметры фундаментов и зданий на просадку от собственного веса грунта

Расчет конструкций фундаментов зданий на просадку от собственного веса s_sl.g производится для наиболее неблагоприятного случая расположения источника замачивания под центром здания. Расчетная модель основания принимается в виде искривленного винклеровского основания с условным радиусом кривизны R_с и коэффициентом средней жесткости k_m (рис.1.4):

R_c = (1.18)

k_m = kk_k, (1.19)

где k_sl – безразмерный коэффициент, принимаемый численно равным s_sl.g в м; k - коэффициент жесткости основания:

k = q/s, (1.20)

(здесь q – средняя расчетная равномерно распределенная нагрузка на основание; s – средняя осадка фундамента); k_k – коэффициент снижения жесткости основания, вычисляемый в зависимости от полудлины здания L по формулам:

при r ≥ L

k_k = 1/α_II; (1.21)

при r < L

k_k = 1 – , (1.22)

где

α_II = 1 + , (1.23)

здесь h_sl.g – величина зоны просадки грунта от собственного веса (рис.1.1); Н_с – величина сжимаемой зоны основания под фундаментом.

Максимальные величины изгибающих моментов М и перерезывающих сил в фундаментах и зданиях при просадках грунтов от собственного веса определяется по выражениям:

М_max = ; (1.24)

Q_max = ; (1.25)

где

R`_с = R_c(1 + ξ); (1.26)

ξ = ; (1.27)

ξ= 0 – при отношении высоты фундамента или здания к их длине (2 L), большем 0,75 ξ; EI и GF – изгибная и сдвиговая жесткости фундамента или здания, приведенные к балке конечной жесткости.

Расчет дополнительных нагрузок на сваи F_n от сил нагружающего трения, возникающих при просадках окружающих сваи грунтов, производится при полном водонасыщении грунта по формуле (рис.1.5):

F_n = , (1.28)

где А – площадь взаимодействующего со сваей окружающего грунта природной структуры; γ_sat.i - удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии; n_i - толщина i -го слоя, на которое разбита толща просадочного грунта Н_sl, в пределах которой проявляются силы нагружающего трения; p_sl.i - начальное просадочное давление i -го слоя грунта.

Рис.1.5. К определению дополнительной нагрузки на сваю по дефициту несущей способности просадочного грунта (заштрихованная область)

Площадь взаимодействующего со сваей грунта А определяется в зависимости от расположения свай и принимается:

для одиночной сваи

А_∞ = π(0,4Н)²/4 – А_com; (1.29)

для средней сваи в кусте

А_m = l² – А_com; (1.30)

для крайней сваи в кусте

А_р = (0,5l + 0,2H)l – А_com; (1.31)

для угловой сваи в кусте

А_cor = π(0,5l + 0,2H)²/4 – А_com; (1.32)

для cредней сваи в ленточном фундаменте

А_f = l(0,2Н) – А_com; (1.33)

где l – расстояние между сваями; А_com – площадь уплотненного вокруг сваи грунта: А_com= 0,25 π(2,5d)²; здесь d – приведенный диаметр сваи.

Глубина толщи просадочного грунта, в пределах которой проявляются силы нагружающего трения,

Н_sl.n = H_sl – s`_sl.g/ ε_sl, (1.34)

где s`_sl.g – предельно допустимая просадка грунта от собственного веса при воздействии на сваю, принимаемая равной 3 см; ε_sl – относительная просадочность нижних слоев просадочной толщи.

Вычисленные дополнительные нагрузки на сваю от сил нагружающего трения по формуле (1.28) не должны превышать значений дополнительной нагрузки F`_n, определяемой по формуле

F`_n = γ_сu , (1.35)

где γ_с и γ_сf – коэффициенты условий работы, применяемые по СНиП II-17-77; u – периметр ствола сваи; f_ni – расчетная сила нагружающего трения по боковой поверхности сваи, принимаемая численно равной f_i по СниП II-17-77, при полном водонасыщении грунта.

Пример 1.2. Определить размеры фундаментов под колонны здания, возводимого на уплотненных тяжелыми трамбовками просадочных грунтов с 1 типом грунтовых условий. Исходные данные по грунтам: γ_d =14,5 кН/м³, p_sl =0,16 МПа, γ_d.com =17 кН/м³, γ_II =19,5 кН/м³, γ`_II =18 кН/м³, c_II =0,035 МПа, φ_II =22°, h_com = 3 м, d =2 м, γ_F = 22 кН/м³. Исходные данные по нагрузкам: F_υ =1250 кН; М =120 кН·м, F_h = 40 кН.

Решение. Определяем предварительные размеры фундамента по условному расчетному сопротивлению R₀ =0,3 МПа (см.табл.1.3):

А = F_υ / R₀ = 1250/0,3·100 = 4,2 м²;

принимаем b = 2 м, l = 2,4 м, А = 4,8 м².

Вычисляем расчетное сопротивление на уплотненный грунт: R =0,4 МПа.

Находим по формуле (1.17) расчетное сопротивление на уплотненный грунт по условию устранения просадки подстилающего неуплотненного лессовидного суглинка естественного сложения при α = 0,207:

R_с = (0,16 – 0,095 + 0,07)/0,207 = 0,35 МПа.

Сопоставляя значения R =0,4 МПа и R_с =0,35 МПа, для расчета размеров подошвы фундамента принимаем минимальное значение: R =0,35 МПа.

Определяем среднее и краевые давления по подошве фундамента при площади подошвы фундамента А=b·l =2·2,4=4,8 м², собственном весе фундамента G=Adγ_F =4,8·2·22=212 кН, моменте от горизонтальной силы М_h=F_hd =40·2=80 кН и моменте инерции подошвы фундамента: W=bl²/6 =2·2,42/6=1,92 м³:

σ=(F_υ + G)/A ± (М + М_h)/W = (1250 + 212)/4,8±(120 + 80)/1,92=30,4±110 кН/м²=0,301 МПа;

σ_m =0,304 МПа; σ_max =0,414 МПа < 0,35·1,2=0,42 МПа; σ_min =0,194 МПа.