д.т.н., профессор кафедры
«Сопротивления материалов и строительной механики»
Басиев К.Д.
Т39 Основания и фундаменты.
Методические указания к курсовому проекту по курсу «Основания и фундаменты» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 270800 «Строительство» (очной и заочной форм обучения). Сост. Тибилов В.И., Алборов А.Д.; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГМИ) (ГТУ).- Владикавказ: Изд-во «Терек», 2011.- 120 с.
Изложены основные требования к подготовке исходных данных для проектирования фундаментов на естественных основаниях. Рассмотрены основы теории расчета и принципы проектирования основных типов фундаментов.
УДК 624.15
ББК 38.58
Редактор: Мисикова И.А.
Компьютерная верстка: Цишук Т.С.
© Составление.ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский
горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)», 2011
© Тибилов В.И., Алборов А.Д., составление, 2011
Подписано в печать 10.07.11 Формат 60 х 84 1/16.Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 2,6. Тираж 100 экз. Заказ №_____
|
|
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)». Издательство «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ……………………………………………………………………………….5
1. Общие принципы проектирования оснований и фундаментов …………….. 6
1.1. Основные понятия и определения. Особенности конструкций подземной
части зданий и сооружений. Общие требования к проектированию
оснований и фундаментов…….................................................................................6
1.2. Естественные и искусственные основания. Основные типы
фундаментов…………………………………………………………………………...7
1.3. Оценка результатов инженерно-геологических изысканий….......................12
1.4. Нагрузки для расчета оснований и фундаментов..........................................22
1.5. Последовательность проектирования оснований и фундаментов…………..33
2. Фундаменты мелкого заложения в открытых котлованах на
естественном основании..........................................................................................37
2.1. Основные положения порядок проектирования….........................................37
2.2. Выбор глубины заложения..............................................................................42
2.3. Определение размеров подошвы, расчет по деформациям...........................54
2.4. Расчет конструкций железобетонных фундаментов…...................................68
2.4.1. Расчет фундаментов на продавливание.......................................................69
2.4.2. Расчет фундаментов по прочности на раскалывание..................................73
2.4.3. Определение площади сечений арматуры плитной части...........................74
|
|
2.4.4. Расчет прочности поперечных сечений подколонника...............................75
2.4.5. Расчет фундамента по второй группе предельных состояний
(на раскрытие трещин)…......................................................................................77
3. Свайные фундаменты.........................................................................................79
3.1. Общие сведения о свайных фундаментах.......................................... ………79
3.2. Способы погружения и типы свай..................................................................84
3.3. Расчет одиночной сваи по несущей способности...........................................96
3.4. Проектирование свайного куста.....................................................................111
3.5. Проектирование ростверка.............................................................................113
3.6. Расчет по деформациям..................................................................................114
Заключение............................................................................................................119
Библиографический список..................................................................................120
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование оснований и фундаментов является одним из навыков, составляющих основу профессиональных знаний, приобретаемых студентами направления подготовки 270800 «Строительство». Важным становится овладение будущими инженерами-строителями системой теоретических принципов, лежащих в основе инженерных методов расчета фундаментов.
Учебное пособие содержит объем сведений, необходимых для расчета и проектирования оснований и конструкций фундаментов, излагаемых в общем курсе «Основания и фундаменты». Выбор конструкции фундамента и его размеров, удовлетворяющих грунтовым условиям конкретной площадки строительства, нередко делает задачу выбора оптимального решения слишком сложной, требуя от проектировщика творческих способностей. Ошибки, возможные на этом этапе, приводят часто к невозможности эксплуатации сооружения в полной мере без значительных затрат.
Процесс проектирования состоит из решения отдельных типовых задач, начиная с выбора несущего слоя грунта, глубины заложения, типа и размеров элементов фундамента и вплоть до конструирования и оптимизации. Материал в учебном пособии построен таким образом, что, изучая его, студент получает необходимые теоретические сведения обо всех этапах проектирования наиболее распространенных типов фундаментов, переходя от простого к сложному.
Материал пособия послужит основой при подготовке к промежуточной аттестации и тестированию в течение семестра.
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
1.1. Основные понятия и определения. Особенности конструкций подземной части зданий и сооружений. Общие требования к проектированию оснований и фундаментов
Проектирование подземной части зданий и сооружений связано с расчетом двух взаимосвязанных систем «фундамент» - «грунтовое основание» с учетом конструктивных особенностей надземного сооружения (способа передачи нагрузки, материалов конструкций, пространственной жесткости, назначения и т.д.). Для иллюстрации основных терминов, которые будут использоваться в дальнейшем, рассмотрим типичную схему фундамента, представленную на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема фундамента: 1 - конструкция надземного сооружения; 2 - обрез; 3 - открытый котлован; 4 - фундамент; 5 - подошва; 6 - основание; 7 - грунт
Фундаментом (4) называется часть здания или сооружения, преимущественно подземная, которая воспринимает нагрузки от конструкций надземного сооружения (1) и передает их на естественное или искусственное основание, сложенное фунтами.
Основанием (5, 6) называется напластование грунтов, воспринимающих нагрузку от фундамента.
Грунтами (7) называются рыхлые горные породы, образовавшиеся в результате выветривания верхних слоев литосферы.
Фундаменты устраивают в открытых котлованах (3) или полостях заданной формы, создаваемых в массиве грунта.
|
|
Верхняя плоскость фундамента, на которую опираются надземные конструкции, называется обрезом (2), а нижняя плоскость, соприкасающаяся с основанием, - подошвой (5). За ширину фундамента принимают меньший размер подошвы - b. Расстояние от обреза фундамента до подошвы есть высота фундамента к. Глубиной заложения фундамента df является расстояние от подошвы до уровня планировки.
Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, воспринимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные деформации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемещений и усилий. Неправильное проектирование, подготовка оснований и возведение фундаментов могут привести к тому, что даже выполненная согласно проекту конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Мировой опыт строительства показывает, что большинство аварий построенных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством оснований.
Одной из характерных особенностей неправильного возведения фундаментов является то, что его отрицательное действие проявляется после накопления грунтами основания достаточных деформаций, т. е., как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные и заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно расселять, подвергать сложным ремонтно-восстановительным работам, а нередко и полностью или частично разбирать.
Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании и возведении фундаментов, или стремление к неоправданной экономии ресурсов могут потребовать проведения дополнительных мероприятий, стоимость которых во много раз превысит стоимость фундаментов.
Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных инженерно-геологических условиях может достигать 20...30% и более. Поэтому необоснованное принятие чрезмерно сложных для конкретных условий конструкций фундаментов и производства работ по их возведению приведет к неоправданному удорожанию строительства.
|
|
Важно отметить, что технология работ по подготовке оснований и устройству фундаментов и подземных частей зданий во многом отличается от работ по возведению подземных сооружений. В зависимости от типа сооружения, рельефа местности, инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки, климатических и метеорологических условий района строительства, даже времен года, когда выполняются эти работы, технология производства строительных работ может значительно изменяться. Правильный выбор технологии подготовки оснований и устройства фундаментов имеет очень большое значение для надежного и экономичного строительства сооружений. Эти вопросы специально рассматриваются в курсе технологии строительного производства и подробно изложены в учебном пособии [1].
На основании вышеизложенного можно сформулировать общие требования, предъявляемые в действующих нормативных документах, к проектированию оснований и фундаментов:
- обеспечение прочности и эксплуатационных параметров зданий и сооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);
- максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;
- достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемкости, сокращение сроков строительства.
Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже условий:
- комплексный учет при выборе типа оснований и фундаментов инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки;
- учет влияния конструктивных и технологических особенностей сооружения на его чувствительность к неравномерным осадкам;
- оптимальный выбор методов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фундаментов и подземной части сооружений;
- расчет и проектирование оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание - фундаменты - конструкции сооружения».
Таким образом, проектирование оснований и фундаментов состоит в выборе типа основания (естественное или искусственное), конструктивного решения (в том числе материала) и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры площади подошвы и т.д.), а также определении мероприятий, применяемых для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность и долговечность сооружения.
Конструирование фундаментов (назначение класса бетона, подбор арматуры, определение размеров отдельных его частей и т.п.) относится к курсу железобетонных конструкций.
1.2. Естественные и искусственные основания. Основные типы фундаментов
Основания фундаментов могут быть сложены грунтами естественного и искусственного происхождения. Грунты оснований зданий и сооружений подразделяются на два класса: скальные (грунты с жесткими связями) и нескальные (грунты без жестких связей).
В классе скальных грунтов выделяют магматические, метаморфические и осадочные породы, которые подразделяются по прочности (от весьма низкой прочности Rс<1 МПа до высокой Rс>120 МПа, где Rс-прочность на сжатие), размягчаемости (неразмягчаемые и размягчаемые) и степени растворяемости в воде (от легкорасворяемых до нерастворяемых). К скальным грунтам, прочность которых в водонасыщенном состоянии менее 5 МПа, относятся глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, мегрели, мелы.
Корме того, в классе скальных грунтов выделяются также искусственные -закрепленные в естественном залегании трещиноватые скальные и нескальные грунты, которые подразделяются по способу закрепления (цементация, силикатизация, смолизация, обжиг и др.) и по пределу прочности на одноосное сжатие.
Нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, биогенные и почвы. Свойства этих грунтов и основные закономерности процессов, происходящих в них при восприятии нагрузок, изучались в курсе «Механика грунтов» и изложены в [2, 3].
Фундаменты по характеру передачи нагрузки на грунты основания можно разделить на две группы - фундаменты мелкого и глубокого заложения.
Отличительные особенности фундаментов мелкого заложения заключаются в следующем:
- нагрузка на основание передается преимущественно через подошву фундамента;
- соотношение размеров (высота h и ширина b) не превышает 4, что позволяет рассматривать такие фундаменты как жесткие конструкции:
- фундаменты устраивают в основном в открытых котлованах.
Из общего многообразия различных типов фундаментов по характеру работы следует выделить фундаменты, предназначенные для восприятия значительных горизонтальных нагрузок от бокового давления грунтов (стены подвалов, подпорные стены, шпунтовые ограждения), и анкерные фундаменты, работающие на выдергивающие усилия (фундаменты мачт, линий электропередач и т.д.).
При большом различии инженерно-геологических условий площадок строительства на территории России, а также разнообразии конструкций зданий и сооружений; применяемых в массовом строительстве, используются в основном столбчатые, ленточные и плитные фундаменты на естественном, уплотненном или искусственно закрепленном основании и свайные фундаменты.
Предварительная оценка области применения фундаментов различных типов в зависимости от грунтовых условий может быть выполнена с помощью табл. 1.1.
Таблица 1.1
Область применения фундаментов различных видов
Основания | Грунты | Тип фундамента | |||
прорезаемые | основания | Мелкого заложения | |||
на есте- ственном основании | на уплотнен- ном или искусственно закрепленном основании | ||||
Свайный | |||||
Однослойные | Слабые Средние Прочные | ± ± + | ± ± - | ± ± - | |
Двух- слойные | Средние | Средние Прочные | ± ± | ± ± | ± ± |
Средние | Слабые Прочные | - + | ± - | ± ± | |
Прочные | Слабые Средние | + + | ± + |
1.3. Оценка результатов инженерно-геологических изысканий
Основания сооружений должны проектироваться на основе результатов инженерно-геодезических, геологических и гидрометеорологических изысканий на площадке строительства.
При проектировании оснований и фундаментов следует учитывать местные условия строительства, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в аналогичных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.
Инженерные изыскания для строительства должны проводиться в соответствии с требованиями СНиП [4], государственных стандартов и других нормативных документов по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов для строительства.
Грунты оснований должны именоваться в описаниях результатов изысканий, проектах оснований, фундаментов и других подземных конструкций сооружений согласно ГОСТ 25100 - 82.
Результаты инженерных изысканий должны содержать данные, необходимые для выбора типа оснований и фундаментов, определения глубины заложения и размеров фундаментов с учетом прогноза возможных изменений
(в процессе строительства и эксплуатации) инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства, а также вида и объема инженерных мероприятий по ее освоению.
Проектирование оснований без соответствующего инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается.
Результаты инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, излагаемые в отчете об изысканиях, должны содержать сведения:
- о местоположении территории предполагаемого строительства, о ее климатических и сейсмических условиях и о ранее выполненных исследованиях грунтов и подземных вод;
- об инженерно-геологическом строении и литологическом составе толши грунтов и о наблюдаемых неблагоприятных физико-геологических и других явлениях (карст, оползни, просадки и набухание грунтов, горные выработки и т. п.);
- о гидрогеологических условиях с указанием высотных отметок появившихся и установившихся уровней подземных вод, амплитуды их колебаний и величин расходов воды; о наличии гидравлических связей горизонтов вод между собой и ближайшими открытыми водоемами, а также сведения об агрессивности вод в отношении материалов конструкций фундаментов;
- о грунтах строительной площадки, в том числе описание в стратиграфической последовательности напластований грунтов основания, форма залегания грунтовых образований, их размеры в плане и по глубине, возраст, происхождение и классификационные наименования, состав и состояние грунтов.
Для выделенных слоев грунта должны быть приведены физико-механические характеристики, к числу которых относятся:
- плотность и влажность грунтов ;
- коэффициент пористости грунтов е;
- гранулометрический состав для крупнообломочных и песчаных грунтов;
- число пластичности Iр и показатель текучести грунтов Il,
- угол внутреннего трения 0, удельное сцепление с и модуль деформации грунтов Е;
- коэффициент фильтрации К ф,
- коэффициент консолидации для водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести Il > 0.5, биогенных грунтов и илов;
- временное сопротивление на одноосное сжатие, коэффициент размягчаемости, степень засоленности и растворимости для скальных грунтов;
- относительная просадочность, а также величина начального давления и начальной критической влажности для просадочных грунтов;
- относительное набухание, давление набухания и линейная усадка для набухающих грунтов;
- количественный и качественный состав засоления для засоленных грунтов;
- содержание органического вещества для биогенных грунтов и степень разложения для торфов.
В отчете обязательно указываются применяемые методы лабораторных и полевых определений характеристик грунтов.
К отчету прилагаются таблицы и ведомости показателей физико-механических характеристик грунтов, схемы установок, примененных при полевых испытаниях, а также колонки грунтовых выработок и инженерно-геологические разрезы. На колонках грунтовых выработок должны быть отмечены все места отбора проб грунтов и пункты полевых испытаний грунтов.
Характеристики грунтов должны быть представлены их нормативными значениями, а удельное сцепление, угол внутреннего трения, плотность и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов также и расчетными значениями.
В отчете должен быть также дан прогноз изменения инженерных условий территории (площадки) строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений.
Данные о климатических условиях района строительства должны приниматься по указаниям главы СНиП по строительной климатологии и геофизике [5].
Для учета при проектировании оснований опыта строительства необходимо иметь данные об инженерно-геологических условиях этого района, о конструкциях возводимых зданий и сооружений, нагрузках, типах и размерах фундаментов, давлениях на грунты основания и о наблюдавшихся деформациях сооружений.
Наличие таких данных позволит лучше оценить инженерно-геологические условия площадки, а также возможность проявления неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений (развитие карста, оползней и т. д.), характеристики фунтов, выбрать наиболее рациональные типы и размеры фундаментов, глубину их заложения и т. д.
Проектом оснований и фундаментов должна быть предусмотрена срезка плодородного слоя почвы для последующего использования в целях восстановления (рекультивации) нарушенных или малопродуктивных сельскохозяйственных земель, озеленения района застройки и т. п.