Габаритные размеры ступенчатых фундаментов определяются, ... правило, инженерно-геологическими особенностями площадки, причем

Габаритные размеры ступенчатых фундаментов определяются, как
правило, инженерно-геологическими особенностями площадки, причем
прочностные свойства бетона фундамента используют не в полной мере.
Снижение расхода материалов достигается за счет применения пустотообразователей (картонных пустотелых вкладышей трубчатого или конусного
очертания). При изготовлении фундамента вкладыши устанавливают в
подколоннике (рис.12.14, в, г) и, по возможности, в плитной части, обеспечивая этим экономию бетона от 7 до 20 % - в зависимости от глубины заложения фундамента. Во влажных грунтах применение пустотобразователей ограничено из-за опасности морозного пучения воды в пустотах.
Ступенчатые фундаменты применяют в монолитном, сборном и
сборно-монолитном исполнении. Технико-экономический анализ показывает, что во многих случаях монолитные отдельные фундаменты оказываются более выгодными, чем сборные. В полной мере преимущества монолитного исполнения фундаментов выявляются при наличии инвентарной
опалубки, бетоноукладочного оборудования, а также оборудования по
транспортировке бетонной смеси. Однако при определенных условиях целесообразнее применять сборные фундаменты. Они рациональны в следующих случаях: а) вес отдельного фундамента не превышает 30…35 кН; б)
строительство ведется в неблагоприятных климатических условиях; в) возведение фундаментов производится в сжатые сроки; г) при строительстве
ЛЭП, трубопроводов и других подобных сооружений.
Рис.12.15 - Сборные железобетонные фундаменты под колонну:
а - одноблочный; б, в – составные;
1 – траверса; 2 – фундаментные плиты
Сборные фундаменты изготавливают одноблочными и составными
(рис.12.15). Замена одноблочных фундаментов составными обусловлена
285
недостаточной грузоподъемностью кранов или затруднениями в транспортировке, однако технико-экономические показатели составных фундаментов ниже, чем одноблочных.
Отдельный фундамент в сборно-монолитном исполнении для железобетонных сборных колонн состоит из монолитной плитной части и сборного башмака (рис.12.16, а) или стакана (рис.12.16, б).
Рис. 12.16 - Сборно-монолитные фундаменты: а – для сборных колонн
здания со связевым каркасом; б – для сборных колонн одноэтажного промышленного здания; в – для стальных колонн промышленного здания; 1 –
сборный башмак под колонну; 2 – монолитная плитная часть; 3 – железобетонные плиты; 4 – металлические тяжи
Для тяжелонагруженных металлических колонн одноэтажных промышленных зданий разработана конструкция фундамента, в которой подколонник состоит из плоских сборных плит, выполняющих роль опалубки,
и бетонного заполнения (рис.12.16, в). Сборные плиты заделывают в плитную часть фундамента и крепят друг к другу металлическими тяжами. Характер нагружения и размеры поперечного сечения подколонника позволяют сосредоточить всю рабочую арматуру в сборных плитах, устанавли-
286
ваемых по двум коротким сторонам подколонника. По нерабочим сторонам предусматривается деревянная опалубка.
К классу отдельных фундаментов относятся столбчатые фундаменты
под малонагруженные стены 1-3-этажных зданий. Такие фундаменты
обычно выполняют из бутового камня, бутобетона, бетона. Размеры подошвы в плане должны быть не менее 0,5х0,5 м.
В зависимости от свойств грунта основания, размеров используемых
фундаментных балок и конструктивных особенностей здания расстояния
между столбчатыми фундаментами варьируются от 2 до 12 м (рис.12.17,
а). При шаге фундаментов менее 6 м в качестве фундаментных балок используют железобетонные или железокирпичные перемычки (арматура
4…6 Ø 8 А1).
Рис.12.17 - Столбчатые фундаменты под стену:
а – в бесподвальных зданиях; б – в зданиях с подвалом;
1 – фундамент; 2 – фундаментная балка; 3 – столб; 4 – панели;
5 – стена; 6 – подготовка
Существуют конструктивные разработки отдельных фундаментов и
для стен многоэтажных бескаркасных зданий (рис.12.17, б). Однако эффективность их применения снижают высокая чувствительность к неравномерным деформациям и большое количество составных элементов.
Для сооружений с наклонными опорными конструкциями, примером
которых могут служить элементы трехшарнирной рамы, разработаны
сборные фундаменты с наклонной подошвой (рис.12.18).
287
Рис.12.18 - Фундамент
с наклонной подошвой: 1 – рама;
2 – подбетонка; 3 – фундамент;
4 – подготовка; 5 – стеновая
панель
Под железобетонную коРис.12.19 - Сборный составной
лонну прямоугольного сечения
фундамент: 1 – подколонник;
используют
сборно-составной
2 – плита
фундамент с двухэлементной плитой и сборным подколонником (рис.12.19). Нижние плиты укладывают на
заранее выполненную песчаную подготовку толщиной 100 мм с зазором
600 мм. При этом расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента определяют как для сплошного фундамента с размерами, равными
размерам двухэлементной плиты с зазором.
Эксцентрично приложенная нагрузка может быть причиной развития
отрицательных краевых напряжений под фундаментом, которые приводят
к отрыву части фундаментной плиты от основания. Избежать этого можно
посредством устройства анкерных свай, жестко соединенных с фундаментом. Для этого в четырех точках фундамента располагают анкерные сваи.
Размещают их симметрично относительно плоскости действия момента, а
при постоянных моментах их устраивают только с одной стороны фундамента, наиболее удаленной от равнодействующей приложения внешней
нагрузки (рис.12.20).
Фундаменты с анкерами применяют в различных грунтовых условиях. Устройство анкеров выполняют в такой последовательности: бурение
скважины, очистка ее сжатым воздухом, заполнение скважины бетоном на
три четверти высоты, установка анкерных стержней, полное заполнение
скважины бетоном.
288
После достижения бетоном необходимой прочности производят натяжение
анкерных стержней. В
прочных грунтовых основаниях в качестве анкерных устройств применяют
также буронабивные сваи.
При этом выполняют
жесткое соединение арматурного каркаса сваи и
фундамента с последующим заполнением скважины литым бетоном.
Диаметр таких свай принимают 15-20 см, длина 2,0-4,0 м. В качестве анкеров используют также
забивные железобетонные
сваи длиной 5,0-6,0 м.
Продольные арматурные
стержни в верхней части
сваи оголяют, сваривают с
каркасом фундамента и
обетонируют. В плотных
Рис.12.20 - Схема фундамента
грунтовых условиях нахо- с анкерами: 1 – фундамент; 2 – анкеры
дят применение буробетоные (рис.12.21) и щелевые (рис.12.22) фундаменты.
Такие фундаменты требуют предварительно подготовленных полостей, которые устраивают специальным буровым оборудованием,
приспособлением для устройства неглубоких полостей сложной конфигурации в плане и по высоте.
Буробетонные фундаменты устраивают путем предварительного
бурения ствола на глубину 3,0-5,0 м с последующим разбуриванием полости, вибробетонированием и установкой арматурного каркаса стакана.
В отличие от известных конструкций буробетонные фундаменты
включают в работу боковые поверхности, которые воспринимают часть
вертикальной нагрузки. Практика устройства таких фундаментов показывает, что их несущая способность увеличивается в 1,5 раза по сравнению с традиционными такой же площади и глубины заложения.
289
Рис.12.21 - Буробетонный
фундамент: 1 – колонна;
2 – стакан; 3 - уширенная
часть фундамента
Рис.12.22 - Щелевой пространственный
фундамент: 1 – стакан;
2 – подколонник; 3 – плитная часть;
4 – вертикальные стенки
В практике строительства фундаментов под колонны, параллельно с
квадратной, прямоугольной формой
применяют столбчатые крестообразные фундаменты (рис.12.23). Грунт в
зоне вырезов таких фундаментов также
участвует в работе, поэтому расчет их
основания проводят по внешним габаритам, включая площадь вырезов.
Рис.12.23 - Схема крестообразноФундаменты сооружений баго монолитного фундамента
шенного типа (рис.12.24) выполняют
из монолитного железобетона.
К такому типу фундаментов относятся: круглая, многоугольная или
кольцевая плита (ростверк), ребристая плита, оболочка, опирающаяся на
круглую или кольцевую плиту, коническая оболочка, опирающаяся на
грунт.
Такой тип фундаментов применяют для сооружений высотой 100 и
более метров в зависимости от грунтовых условий. При недостаточно
прочных грунтовых основаниях для таких сооружений применяют кольцевые свайные ростверки. Цилиндрические оболочки как продолжение
ствола сооружения являются эффективными монолитными железобетонными конструкциями, выполненными методом "скользящей опалубки".
Железобетонную плиту фундамента выполняют из тяжелого бетона марок
В20-В30, армированного арматурой стали класса А-III с переходом на канаты или пучки проволоки.
290
Рис.12.24 - Фундаменты под сооружения башенного типа:
а – круглая кольцевая плита; б – кольцевая плита с конической
оболочкой; в – ребристая плита; г – коническая оболочка
12.7.5. Гидроизоляция фундаментов. При капиллярной влаге в
грунте, фильтрационных и напорных подземных водах необходимо защищать подземные и надземные строительные конструкции от влажностных
воздействий, для чего предусматривают следующие мероприятия: гидроизоляцию; дренаж; использование в качестве материала подземных конструкций специальных бетонов с гидрофобными добавками.
Рассмотрим способы устройства гидроизоляции ленточных фундаментов, используемые в условиях массового строительства. Относительно
простая конструкция гидроизоляции при отсутствии напорных подземных
вод (рис.12.25, а). Горизонтальная оклеечная изоляция, укладываемая выше отмостки, защищает стены верхнего строения. Вертикальные поверхности стен подвала или технического подполья, соприкасающиеся с грунтом, обрабатывают обмазочной гидроизоляцией. В уровне подготовки под
полы подвала укладывают слой жирного цементно-песчаного раствора.
При уровне подземных вод выше подошвы фундаментов гидроизоляцию устраивают по наружному и внутреннему контуру подземных конструкций, находящихся в зоне контакта с водой.
291
Рис.12.25 - Гидроизоляция ленточных фундаментов: а – при уровне подземных вод ниже подошвы фундамента; б – при напоре подземных вод
200…1000 мм; в - при напоре подземных вод до 200 мм ; г – при напоре
подземных вод свыше 1000 мм; 1 – два слоя толя или гидроизола на битумной мастике; 2 - окраска горячим битумом за два раза; 3 – цементная
стяжка из раствора состава 1:2 толщиной 20…30 мм;
4 – защитная стяжка из красного кирпича; 5 – затирка цементным раствором; 6 - оклеечная гидроизоляция; 7 – пол подвала; 8 – бетонная подготовка толщиной 100 мм; 9 – жирная мятая глина; 10 – стеклоткань; 11 – деформационный шов, заполняемый битумом; 12 – расчетный уровень подземных вод; 13 - пригрузочный слой бетона (толщина по расчету); 14 –
железобетонная плита (толщина по расчету)
Наружная гидроизоляция представлена в трех конструктивных вариантах в зависимости от величины напора воды. Во всех вариантах боковое
гидростатическое давление воспринимается стенами подвала, а вертикальная оклеечная гидроизоляция защищается от механических повреждений
кирпичной стенкой (рис.12.25, б-г).
292
Если напор превышает 1000 мм, то гидростатическое давление под
полом подвала воспринимается железобетонной плитой, рассчитываемой
как балочная плита под давлением равномерно распределенной нагрузки
(рис.12.25, г).
12.8. Рекомендации по выбору типа фундамента
на естественном основании
Рассматривая возможные типы фундаментов, прежде всего исходят
из минимальной глубины их заложения. Грунтовые условия, исходя из их
деформируемости и несущей способности, принято условно делить на
удовлетворительные и слабые. Это разделение производят с учетом конкретного сооружения, поскольку оно отражает способность пласта воспринимать определенные нагрузки.
Не рекомендуется использовать в качестве естественных оснований
следующие грунты: песчаные рыхлые, пылевато-глинистые текучей консистенции или с коэффициентом пористости, превышающем для супесей
e  0 ,7 , суглинков e  1,0 и глины e  1,1 , а также илы, заторфованные и
насыпные грунты.
Определяя области применения различных типов фундаментов и
глубину их заложения, руководствуются следующими рекомендациями:
1. При удовлетворительных грунтовых условиях для большинства
жилых и гражданских зданий используют ленточные фундаменты мелкого
заложения на естественном основании.
2. Применение плитных фундаментов является экономичным по
сравнению с раздельными или ленточными фундаментами, если площадь
последних превышает 50…60 % площади застройки здания.
3. Глубина заложения ленточных фундаментов обычно не превышает
5 м.
4. Для многоэтажных крупнопанельных жилых зданий применение
ленточных фундаментов ограничивается однородными по сжимаемости
основаниями, при которых сочетания показателя изменчивости  E и среднего модуля деформации E , МПа имеют следующие соотношения при:

E  7 ,5  E  1,5 ;

E  15  E  2 ,0 ;

E  30  E  3 ,0.
5. При значительных нагрузках (более 5…6 МН на фундамент) глубина заложения отдельных фундаментов под колонны может достигать
8…10 м.
6. Необходимо предусматривать заглубление фундаментов в несущий слой грунта не менее чем на 0,1…0,5 м.
293
7. Рекомендуется закладывать фундаменты выше уровня подземных
вод. При этом исключается необходимость водоотлива и сохраняется естественная структура грунта.
8. При заложении фундаментов ниже уровня подземных вод нужно
обеспечить осушение котлована, используя технологическое оборудование, не допускающее механической суффозии, разрыхления, нарушения
естественной структуры грунта. Стоимость возведения фундаментов в открытых котлованах при этом возрастает.
12.9. Исходные данные для проектирования
фундаментов мелкого заложения
Для проектирования фундаментов мелкого заложения необходимы
следующие исходные данные: а) нагрузки: вертикальная - Fv и горизонтальная Fh составляющие силы, а также момент в сечении M на уровне
обреза фундамента; б) физико-механические характеристики грунтовых
напластований; в) глубина заложения фундамента. Нагрузки на фундамент
Fv , Fh , M вычисляют при расчете надземных конструкций или устанавливают в предположении статической определимости каркаса здания, собирая нагрузки с соответствующих грузовых площадей.
Физико-механические характеристики грунтов определяют по данным лабораторных и полевых испытаний. В расчет вводят также расчетные характеристики грунтов. В некоторых условиях деформативные и
прочностные параметры грунтов принимают по данным статистически
обоснованных таблиц (СНиП 2.02.01-83) [5].
Необходимую глубину заложения фундаментов назначают на основании анализа характера грунтовых напластований, особенностей сооружения и данных о сезонных изменениях объема грунтов (см. §12.6).
12.10. Определение размеров подошвы фундамента
12.10.1. Критерии выбора размеров подошвы фундамента. Размеры подошвы фундамента зависят от физико-механических свойств грунтов оснований, характера нагрузок и особенностей несущих конструкций
зданий, передающих эти нагрузки на фундамент.
Критерии выбора размеров подошвы фундамента основываются
прежде всего на требованиях расчета оснований по предельным состояниям. Согласно СНиП 2.02.01-83, расчет осадок осуществляют в предположении линейной деформируемости основания, которая реализуется при
выполнении таких условий:
а) для центрально-сжатых фундаментов
294
p  R;
(12.7)
б) для внецентренно-сжатых фундаментов при действии изгибающего момента относительно каждой оси подошвы фундамента
p max  1,2 R ;
(12.8)
в) для угловой точки внецентренно-нагруженного фундамента
p max,c  1,5 R ,
(12.9)
где p - среднее давление под подошвой фундамента от внешних нагрузок;
p max - максимальное краевое давление на грани подошвы фундамента от
внешних нагрузок; p max,c - максимальное давление в угловой точке подошвы фундамента; R - расчетное сопротивление грунта основания.
Кроме того, устанавлены определенные ограничения для соотношения краевых давлений p max p min на гранях подошвы внецентреннонагруженного фундамента в зависимости от характера нагрузок. Различают следующие случаи (рис.12.20):
а) для фундаментов колонн зданий, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью 750 кН и выше, а также для фундаментов колонн
открытых крановых эстакад при кранах грузоподъемностью выше 150 кН,
для сооружений башенного типа и для всех видов зданий в случае оснований с расчетным сопротивлением R  0 ,15 МПа размеры подошвы фундаментов рекомендуется назначать такими, чтобы эпюра контактных давлений была трапециевидной с соотношением краевых давлений
p min p max  0,25 ;
(12.10)
б) в большинстве случаев допускается треугольная эпюра, но без отрыва подошвы фундамента от грунта, т.е.
p min  0 или p min p max  0 ;
(12.11)
в) иногда (например, в стесненных условиях производства работ, при
действии монтажных нагрузок) допускается двузначная эпюра давлений,
что делает возможным отрыв подошвы фундамента; при этом должно соблюдаться неравенство
p min p max  0,25 .
295
(12.12)
12.10.2. Расчетные зависимости. Исходя из линейного распределения давлений под подошвой фундамента (см. рис.12.26), используют следующие формулы для определения среднего и краевых давлений:
среднее давление
p   c , s d 1  Fv A ,
(12.13)
где  c , s - усредненный удельный вес материала фундамента и грунта на
его уступах; обычно  c ,s  20 кН / м 3 ; d 1 - глубина заложения фундамента; Fv - результирующая вертикальная сила на обрезе фундамента; A площадь подошвы фундамента.
Рис.12.26 - Схема сил и эпюры давлений по подошве фундамента при действии центральной и внецентренной нагрузок
Краевые давления определяют по известной из сопротивления материалов формуле
p max  p  M x W x  M y W y ,
(12.14)
min
где W x и W y - соответственно моменты сопротивления подошвы фундамента относительно осей y и x (рис.12.20). Для фундаментов:
296
прямоугольных
круглого
Wx  b 2 l 6 ,
(12.15)
Wy  l 2b 6 ;
(12.16)
W  r3 4 ;
(12.17)
ленточного
(12.18)
W  b2 6 .
Если допускается отрыв подошвы фундамента, то максимальное краевое давление p max,l (для момента вдоль стороны l ) определяется по
формуле
p max,l  2 Fv ,b 3bl o ,
(12.19)
где Fv ,b - суммарная вертикальная нагрузка на уровне подошвы фундамента; l o - длина зоны отрыва ( l o  0 ,25 l , что следует из формулы
(12.12)).
Расчетное сопротивление грунта R , определяемое по формуле (7)
СНиП 2.02.01-83 [5], характеризует предельный уровень напряжений в
грунте, при котором основание еще можно считать линейнодеформируемой средой. Эта формула (9.18) для практических расчетов
имеет вид


 
R  c1 c 2 M  k z b II  M q d 1 II  M q  1 d b II  M c c II .
k


Здесь  c1 и  c 2 - соответственно коэффициенты условий работы грунтового основания и здания во взаимодействии с основанием (табл.12.8); k коэффициент, учитывающий способ определения прочностных характеристик грунта под подошвой  II и c II ; M  , M q , M c - коэффициенты, зависящие от значения угла внутреннего трения  II грунта под подошвой
фундамента (табл.12.9); k z - коэффициент, зависящий от размера подошвы
фундамента; b - ширина подошвы фундамента;  II и  II - осредненные
расчетные значения удельного веса грунтов, залегающих соответственно
ниже и выше подошвы фундамента; c II - расчетное значение удельного
сцепления грунта под подошвой фундамента; d 1 - расчетное значение глубины заложения фундамента; d b - расчетное значение глубины подвала.
Рекомендации по назначению расчетных параметров, входящих в формулу, приведены в §12.10.3.
Подстановка расчетных зависимостей (12.13), (12.14), (8.18) в условия (12.7) и (12.8) позволяет решить задачу об определении размеров подошвы фундамента. При этом должны быть удовлетворены требования
одного из условий (12.10)…(12.12) о соотношении краевых напряжений
297
под подошвой фундамента. Вычисления осуществляются следующим образом.
Таблица 12.8 - Коэффициент условий работы  c1 и  c 2
при определении расчетного сопротивления грунта основания
Грунты
 c 2 для сооружений с жесткой конструктивной схемой
при отношении длины сооружения или его отсека к высоте
L H , равном
4 и более
1,5 и менее
 c1
Крупнообломочные с песчаным заполнителем и песча1,4
1,2
1,4
ные, кроме мелких и пылеватых
Пески мелкие
1,3
1,1
1,3
Пески пылеватые:
маловлажные и влажные 1,25
1,0
1,2
насыщенные водой
1,1
1,0
Пылевато-глинистые, а также
крупнообломочные с пылевато-глинистым заполните1,0
1,1
лем с показателем текучести 1,25
грунта
или
заполнителя
I L  0,25
То же при 0 ,25  I L  0 ,5
1,2
1,0
1,1
То же при I L  0,5
1,1
1,0
1,0
Примечания: 1. Для зданий с гибкой конструктивной схемой
 c2  1 .
2. При промежуточных значениях L H коэффициент  c 2 определяют интерполяцией.
Для центрально нагруженного фундамента выражение (12.14) записывают в виде


A  Fv Ri   c , s d .
(12.20)
В зависимости от конфигурации подошвы фундамента возможны
следующие модификации выражения (12.20):
298
для ленточного фундамента, который рассчитывается на 1 м длины
от нагрузки f ,
bi  f Ri   c , s d ;
(12.21)


для квадратного (обычно центрально нагруженного) фундамента


bi ,sq  Fv Ri   c ,s d .
(12.22)
Таблица 12.9 - Безразмерные коэффициенты M  , M q , M c
при определении расчетного сопротивления грунта основания
Расчетное
значение
угла внутреннего
трения
 II , град.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Коэффициенты
M
Mq
Mc
0
0,01
0,03
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,23
0,25
0,29
0,32
0,36
0,39
0,43
0,47
0,51
0,55
0,61
1,00
1,06
1,12
1,19
1,25
1,31
1,39
1,47
1,55
1,63
1,73
1,83
1,94
2,05
2,17
2,29
2,43
2,57
2.72
2,88
3,06
3,24
3,44
3,14
3,23
3,32
3,41
3,51
3,61
3,71
3,81
3,90
4,05
4,17
4,29
4,42
4,56
4,69
4,85
5,00
5,15
5,31
5,48
5,66
5,84
6,04
Расчетное
значение
угла внутреннего
трения
 II , град.
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
299
Коэффициенты
M
Mq
Mc
0,66
0,72
0,78
0,84
0,90
0,98
1,06
1,15
1,24
1,34
1,44
1,55
1,67
1,81
1,95
2,11
2,28
2,46
2,66
2,87
3,12
3,37
3,65
3,65
3,87
4,11
4,37
4,65
4,93
5,24
5,59
5,97
6,35
6,78
7,21
7,69
8,25
8,84
9,44
10,10
10,84
11,63
12,50
13,50
14,50
15,64
6,24
6,45
6,67
6,90
7,14
7,40
7,67
7,95
8,25
8,55
8,87
9,21
9,59
9,98
10,38
10,80
11,26
11,74
12,25
12,77
13,34
13,96
14,64