Тема 3.4. Понятие о расчете фундаментов.

3.4.1. Несущая способность грунта.

  Грунты подразделяются на два класса: скальные - грунты с жесткими (кристаллизационными или цементационными) структурными связями и нескальные - грунты без жестких структурных связей.

Скальные грунты в большинстве своем резко отличаются по своим свойствам от нескальных грунтов. Скальные грунты практически несжимаемы при нагрузках.

Скальные грунты делятся на четыре группы: магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и искусственные (преоб­разованные в природном залегании), в каждом из которых выделяются подгруппы, типы и виды в зависимости от условий образования и структуры.  Скальные грунты, подвергаясь природным процессам выветрива­ния, теряют свою сплошность в залегании, становятся трещиноватыми, а затем разрушаются до кусков различной крупности, промежутки между которыми заполняются мелкозернистым материалом. В результате выветривания несущая способность и строительные свойства скального грунта ухудшаются.

  Нескальные грунты разделяются на группы осадочных и искусственных грунтов, которые в свою очередь делятся на подгруппы согласно табл. 3.                                                        Таблица 3

Группы и подгруппы нескальных грунтов	Характеристика
Осадочные нецементированные:
крупнообломочные	Нецементированные грунты, соде­ржащие более 50 % по массе обло­мков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм
песчаные	Сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50 % по мас­се частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (грунт не раскатывается в шнур ди­аметром 3 мм или число пластичности его IP <1
пылевато-глинистые	Связные грунты, для которых число пластичности IP ³1
биогенные	Грунты с относительным содержанием органического вещества Iот > > 0,1 (озерные, болотные, озерно-болотные, аллювиально-болотные)
почвы	Природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием
Искусственные
уплотненные в природном залегании насыпные намывные	Преобразованные различными спо­собами или перемещенные грунты природного происхождения и отходы производственной и хозяйственной деятельности человека

Давление на грунт под подошвой фундамента мелкого заложения определяют в зависимости от внутренних усилий, действующих на уровне этой подошвы (рис.70).

Рис.70. Схема к расчету несущей способности фундамента мелкого заложения

1 - более нагруженная грань; 2 - менее нагруженная грань.

Среднее  и наибольшее  напряжения в грунте основания под фундаментом рассчитывают, полагая фундамент абсолютно жестким:

                                        Если

то несущую способность основания фундамента можно считать обеспеченной.

Здесь:

N, М - нормальная сила и изгибающий момент в уровне подошвы фундамента от заданного сочетания нагрузок, включая собственный вес фундамента и грунта на его уступах;

F - площадь опирания фундамента;

 - момент сопротивления площади опирания фундамента для его более нагруженной грани W=а² b/6;

R - расчетное сопротивление грунта осевому сжатию;

 - коэффициент надежности, равный 1,4;

m - коэффициент условий работы, принимаемый для скальных пород и при расчете на дополнительные сочетания нагрузок равным 1,2 а в остальных случаях - 1,0.

Желательно, чтобы распределение напряжений по подошве фундамента было возможно более равномерным, в особенности от постоянно действующих нагрузок. Неравномерность давлений от постоянных нагрузок может вызвать крен сооружения при осадках основания. Чтобы не возникло опасных кренов, в опорах мостов ограничивают величину эксцентриситета е нормальной силы N пределами (см. рис.1):

На нескальных грунтах для промежуточных опор при учете только постоянных нагрузок е 0,1·р;

На нескальных грунтах для промежуточных опор, при наиболее невыгодном сочетании постоянных и временных нагрузок е 1,0·р;

На нескальных грунтах для устоев при учете только постоянных нагрузок е 0,8·р;

На нескальных грунтах для устоев, при наиболее невыгодном сочетании постоянных и временных нагрузок:

в больших и средних мостах е 1,0·р;

в малых мостах е 1,2·р;

На скальных грунтах при наиболее невыгодном сочетании постоянных и временных нагрузок е 1,2·р;

Эксцентриситет е от постоянных нагрузок для фундаментов на скальных грунтах можно не проверять.

Здесь эксцентриситет приложения вертикальной силы относительно центра тяжести площади опирания фундамента е = М/N; радиус ядра сечения площади опирания фундамента р = / F; где  - момент сопротивления площадки опирания фундамента для менее нагруженного ребра. При симметричном фундаменте   = , а для прямоугольного фундамента р = а / 6, где а - длина стороны фундамента, вдоль которой действует момент М.

3.4.2. Особенности расчета фундамента мелкого заложения и свайного фундамента.

  Основания и фундаменты опор мостов следует рассчитывать по двум группам предельных состояний:

Рис.71. Схемы потери несущей способности фундаментов и их осадок

1 - зона разрушения фундамента.

Конструкция фундамента в первом предельном состоянии должна быть рассчитана на прочность (рис.71, а), устойчивость против опрокидывания (рис.71, б) и сдвига по грунту основания (рис.71, в). Во втором предельном состоянии необходимо проверить трещиностойкость фундамента и его перемещения. Грунты основания под фундаментом проверяют в первом предельном состоянии по несущей способности и по устойчивости на сдвиг грунта вместе с фундаментом (рис.72, а). Во втором предельном состоянии рассчитывают деформации грунтов основания. Поскольку фундамент получает смещения, равные деформациям примыкающих к нему слоев грунта, эти расчеты общие для проверки фундамента и его основания. Они состоят в определении осадок и горизонтальных смещений фундамента и основания с целью учета их влияния на конструкцию опор и всего сооружения (рис.72, б). Расчеты по первому и второму предельным состояниям производят с учетом действующих на сооружение постоянных и временных нагрузок, возможных наиневыгоднейших их сочетаний и необходимых расчетных коэффициентов.

Рис.72. Схемы потери несущей способности фундаментов и их осадок

1 - поверхность сдвига грунта;

 - вертикальное и горизонтальное смещение фундамента от осадка грунта основания.

 

Деформации основания подразделяются на:

осадки - деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и в отдельных случаях собственного веса грунта, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;

просадки - деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных факторов, таких, как, например, замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзшем грунте и т.п.;

подъемы и осадки - деформации, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта);

оседания - деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод, карстово-суффозионными процессами и т.п.;

горизонтальные перемещения - деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных систем, подпорные стены и т.д.) или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса и т.п.

провалы - деформации земной поверхности с нарушением сплошности грунтов, образующиеся вследствие обрушения толщи грунтов над карстовыми полостями или горными выработками.

Размеры подошвы фундамента определяют по расчетным нагрузкам, действующим в уровне подошвы и по расчетным сопротивлениям грунта, расположенного под его подошвой.

С точки зрения работы свай в грунте, сваи при низком ростверке работают только на сжатие, а горизонтальные силы воспринимает ростверк, заглубленный в грунт; при высоком ростверке плита приподнята над грунтом и сваи работают как на сжатие, так и на изгиб.

Вопросы для самоконтроля:

1. На какие два класса подразделяются грунты?

2.  Как подразделяются нескальные грунты?

3.  Как определяют давление на грунт под подошвой фундамента мелкого заложения?