ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. Л. Ю. Артемова проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений учебное пособие
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) В.К. ФЕДУЛОВ, Л.Ю. АРТЕМОВА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) В.К. ФЕДУЛОВ, Л.Ю. АРТЕМОВА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ МОСКВА МАДИ 2015 УДК 624.15 ББК 38.58 Ф348 Рецензенты: зам. начальника технического отдела ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект», канд. техн. наук, доц. Виноградов Б.А. ; ген. директор ООО «СК Аэродор», канд. техн. наук Битнев П.А. Федулов, В.К. Ф348 Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений учеб. пособие / В.К. Федулов, Л.Ю. Артемова. М МАДИ, 2015. – 84 с 978-5-7962-0197-8 В учебном пособии приведены общие сведения о методах расчета оснований и фундаментов по двум группам предельных состояний. Даны примеры расчета напряженного состояния оснований и определения основных параметров фундаментов неглубокого заложения при различных видах нагрузок и воздействий. Пособие предназначено для студентов строительных специаль- ностей. УДК 624.15 ББК 38.58 ISBN 978-5-7962-0197-8 © МАДИ, 2015 3 ВВЕДЕНИЕ Фундаменты являются главными несущими элементами любого здания или сооружения, так как они воспринимают нагрузку от вышележащих конструкций и передают ее на основание. При этом в силу своего расположения они практически недоступны для освидетельствования. Поэтому надежность работы фундаментов (и основания) при эксплуатации должна быть обеспечена как на стадии проектирования, таки на стадии строительства. Как правило, основания, фундаменты и надземные конструкции проектируют раздельно. Однако они неразрывно связаны между собой, влияют друг на друга и должны рассматриваться как единая система. Поэтому для проектирования оснований и фундаментов необходимо знать особенности их совместной работы под действием внешних силовых и несиловых воздействий. Современная прикладная теория расчета оснований и фундаментов позволяет проектировать эти конструкции достаточно надежными и экономичными. Цель настоящего пособия – дать в сжатом виде основы теоретических положений расчета и конструирования оснований и фундаментов, изложенные в соответствующих главах строительных норм и правил. При этом для более четкого понимания теории в пособии приведены примеры расчета оснований и фундаментов. Пособие предназначено для студентов квалификации специалист, обучающихся по направлению подготовки 271101 (08.05.01) Строительство уникальных зданий и сооружений, специализации Строительство автомагистралей, аэродромов и специальных сооружений. Оно также может быть использовано студентами, обучающимися в магистратуре по отмеченной выше специализации, а также ин- женерами-проектировщиками, работающими в данной области строительства. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБОСНОВАНИЯХ И ФУНДАМЕНТАХ 1.1. Основные понятия и определения Основанием называют часть массива грунта, воспринимающего нагрузку от здания или сооружения. Оно бывает скальное и нескальное. Скальные основания представляют собой массивные горные породы с жесткими связями между частицами грунта. Они имеют значительную прочность при сжатии ( ≥ 5 c R МПа. Нескальные (грунтовые) основания – это толща несвязных или связных горных породу которых прочность связей между отдельными частицами во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. К ним относят основания из крупнообломочных, песчаных, пыле- вато-глинистых и других видов грунтов. По условиям напластования и мощности грунтов основания можно разделить на однородные (риса, сжимаемая толща которых включает только один вид грунта, и слоистые (рис. 1.1, б, в) с различными по составу и свойствам грунтами. Слоистое основание, в свою очередь, может иметь согласное (рис. 1.1, били несогласное рис. 1.1, в) залегание грунтов. Залегание считают согласным, если уклон отдельных слоев грунта не превышает 2%, и несогласным, если пласты залегают невыдержанно, те. имеют больший уклон, выклинивание и прочее. Рис. 1.1. Схемы естественных оснований Наиболее надежными являются однородные основания и слоистые с согласно залегающими мало сжимаемыми грунтами. ∗ Далее вместо термина здания и сооружения используется термин сооружения. а) б) в) i < 2% 5 К неблагоприятным относят основания, имеющие слабые прослойки, из-за которых могут возникнуть значительные равномерные и неравномерные осадки. Фундаментом называют подземную часть сооружения, которая служит для передачи нагрузки на основание. На рис. 1.2 показаны основные элементы фундамента и его основания. Рис. 1.2. Схема фундамента и его основания 1 – фундамент 2 – обрез фундамента 3 – подошва фундамента 4 – несущий слой 5 – подстилающие слои h f – высота фундамента d f – глубина заложения фундамента Расстояние от спланированной отметки земли до подошвы фундамента называется глубиной заложения фундамента (d f ). Слой, на который опирается фундамент, называют несущим, а слои, расположенные ниже, – подстилающими. Прочность основания в целом определяется совместной прочностью несущего и подстилающих слоев грунта. Фундаменты подразделяют натри основные категории возводимые в открытых котлованах, глубокого заложения и свайные риса, б, в. Фундаменты, возводимые в открытых котлованах (мелкого заложения (риса, после возведения в котловане засыпаются грунтом и практически передают давление на основание только по подошве. При этом в грунте возникают сжимающие напряжения Фундаменты глубокого заложения (рис. 1.3, б) изготавливают и погружают в грунт с поверхности земли при помощи специальных механизмов и устройств. Они защемлены в грунте, передают нагрузку на основание по подошве и частично за счет сил трения R f по боковой поверхности фундамента. Свайный фундамент (рис. 1.3, в) включает группу свай, совместная работа которых обеспечивается с помощью плит или балок, называемых ростверком. Рис. 1.3. Схемы фундаментов 1 – котлован 2 – грунт обратной засыпки 3 – фундамент 4 – ростверк В результате воздействия нагрузки в основании фундамента формируется деформируемый объем грунта, который называют сжимаемой толщей, или рабочей зоной основания (рис. 1.4). Рис. 1.4. Схема сжимаемой толщи (1) основания R 1 2 1 3 R 1 R f R f R 1 1 2 4 а) б) в) F d f h f 1 NL – отметка поверхности природного рельефа DL – отметка планировки H c – глубина сжимаемой толщи WL – отметка уровня грунтовых вод B.S – отметка нижней границы сжимаемой толщи FL – отметка заложения подошвы фундамента σ≠0; ε≠0 7 Этот объем непостоянен и зависит от условий нагружения (величины, направления, глубины приложения и изменения во времени действующих нагрузок, размеров и формы площади, через которую передаются нагрузки, свойств и напластования грунтов, их напряженного состояния и деформируемости. Его параметры устанавливают применительно к каждому конкретному случаю для сооружения в целом, отдельного фундамента или группы фундаментов, если они оказывают взаимное влияние друг на друга. При проектировании по деформациям (осадкам) за основание принимают ту часть грунта, в которой развиваются напряжения σ и деформации ε , влияющие на его работу. Если в пределах сжимаемой толщи залегает скала, то мощность сжимаемой толщи ограничивается поверхностью скалы. Значительные по величине нагрузки могут привести к потере устойчивости основания, которая, как правило, сопровождается выдавливанием грунта из-под подошвы фундамента. В этом случае при расчете по устойчивости за основание принимают объем грунта, который выдавливается из-под сооружения, перемещаясь относительно неподвижного массива (рис. 1.5). Рис. 1.5. Схема основания при развитии областей сдвига 1 – сооружение 2 – перемещающаяся часть массива грунта 3 – неподвижная часть массива стрелки в кружках указывают направления нормальных σ и касательных τ напряжений 1.2. Свойства грунтов основания Грунты – это горные породы, из которых состоят верхние слои земной поверхности. Они практически не работают на растяжение и сопротивляются только сжимающими сдвигающим усилиям. σ τ 1 2 3 8 В строительной практике, в основном, приходится сталкиваться с осадочными породами, которые образовались в результате разрушения (выветривания) ранее существовавших горных пород. Это глины, суглинки, пески, гравий, галечник. Физико-механические свойства грунтов Грунты представляют собой трехфазную систему, состоящую из минеральных частиц, воды и воздуха. Основными характеристиками физического состояния грунтов являются плотность грунта ненарушенной структуры ρ , плотность твердых частиц ρ s и природная влажность w, которые определяют на основании опытных данных по формулам ρ = ; m V ρ = ; s s s m V = , w s m w m (1.1) где m – масса образца, включающая массу твердых частиц (m s ) и воды объем образца, включающий объем твердых частиц (V s ), воды (V w ) и воздуха (V g ). В природных условиях грунты представляют собой смесь различных по крупности частиц, количественное содержание которых может колебаться в больших пределах. Поэтому использование только основных характеристик не позволяет получить исчерпывающее представление о природном состоянии грунта, что обуславливает необходимость использования дополнительных физических показателей. К числу последних относятся гранулометрический состав, плотность грунта в сухом состоянии, коэффициент пористости, степень влажности, число пластичности и показатель текучести, которые согласно стандарту [14] классифицируются следующим образом. Таблица 1.1 Классификация твердых частиц Частицы Размеры частиц, мм Частицы Размеры частиц, мм Галечниковые Гравелистые Песчаные > 20 20 – 2 2 – 0,05 Пылеватые Глинистые 0,05 – 0,005 < 0,005 9 Гранулометрический состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта (табл. 1.1). Если грунты состоят из смеси глинистых, пылеватых и песчаных частиц, то их различают по содержанию глинистых частиц (табл. 1.2). Таблица 1.2 Классификация грунтов по содержанию глинистых частиц Грунт Содержание глинистых частиц по массе, % Число пластичности Глина Суглинок Супесь Песок > 30 30 – 10 10 – 3 < 3 > 0,17 0,17 – 0,07 0,07 – 0,01 0 Крупнообломочные и песчаные грунты по гранулометрическому составу подразделяют следующим образом (табл. 1.3). Таблица 1.3 Классификация грунтов по крупности частиц Грунты Размеры частиц, мм Содержание частиц по массе, % Крупнообломочные валунные галечниковые гравийные Песчаные гравелистые крупные средней крупности мелкие пылеватые > 200 > 10 > 2 > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1 > 50 > 50 > 50 > 25 > 50 > 50 > 75 < 75 Плотность грунта в сухом состоянии ( ρ d ) – это отношение массы твердых частиц к общему объему образца ненарушенной структуры ρ ρ = + 1 d w (1.2) Коэффициент пористости (e) – отношение объема пор к объему твердых частиц 10 ρ − ρ = ρ , s d d e (1.3) используется для оценки плотности сложения песков (табл. Таблица 1.4 Значения коэффициентов пористости песков Пески Значение e для песков плотных средней плотности рыхлых Гравелистые, крупные, средней крупности < 0,55 e ≤ ≤ 0,55 0,7 e > Мелкие < 0,6 e ≤ ≤ 0,6 0,75 e > 0,75 e Пылеватые < 0,6 e ≤ ≤ 0,6 0,8 e > Степень влажности – отношение естественной влажности к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой ρ = ρ , s r w w S e (1.4) где ρ w – плотность воды. По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют следующим образом (табл. 1.5). Таблица 1.5 Классификация грунтов по степени влажности Крупнообломочные и песчаные грунты Степень влажности Маловлажные < ≤ 0 Влажные < ≤ 0,5 Насыщенные водой < ≤ 0,8 Удельный вес грунта и его твердых частиц в сухом состоянии определяют соответственно по формулам γ = ρ ; g γ = ρ , s s g (1.5) где g – ускорение свободного падения. Уменьшение удельного веса грунта в результате взвешивающего действия воды для грунта, залегающего ниже уровня грунтовых вод, находят из выражения γ − γ γ = + , 1 s w sb e (1.6) 11 где γ w – удельный вес воды. Число пластичности характеризует степень пластичности глинистых грунтов = − , p L p J w w (1.7) где w L – влажность грунта на границе текучести (предельное значение влажности, при котором глинистый грунт приобретает свойства вязкой жидкости w p – влажность грунта на границе раскатывания (влажность, при которой глинистый грунт начинает приобретать свойства твердого тела. По числу пластичности грунты подразделяют в соответствии сданными табл. 1.2. Показатель текучести позволяет установить состояние глинистого грунта по консистенции − = − p L L p w w J w w (1.8) Поэтому показателю глинистые грунты подразделяют в соответствии сданными табл. 1.6. Таблица 1.6 Классификация глинистых грунтов по показателю текучести Глинистый грунт Показатель текучести Супеси твердые < пластичные ≤ ≤ 0 текучие > Суглинки и глины твердые < 0 L J полутвердые ≤ ≤ 0 0,25 L J тугопластичные < ≤ 0,25 0,5 L J мягкопластичные < ≤ 0,5 0,75 L J текучепластичные < ≤ 0,75 текучие > К основным механическим характеристикам относятся сопротивление грунтов сдвигу, сжимаемость и водопроницаемость. Сопротивление грунтов сдвигу определяется по формуле 12 τ = σ ⋅ ϕ + , tg c (1.9) где σ – нормальное напряжение ϕ – угол внутреннего трения грунта tg ϕ – коэффициент внутреннего трения c – удельное сцепление в глинистых грунтах или параметр линейности в песчаных грунтах. По сопротивлению грунтов сдвигу определяют предельные и расчетные сопротивления грунтов основания. Сжимаемость (уплотняемость) грунтов характеризуется коэффициентом относительной сжимаемости m ν или модулем деформации. Водопроницаемость грунтов оценивается с помощью коэффициента фильтрации (k f ), используемого при расчетах затухания осадки фундаментов во времени. Более подробно механические характеристики грунтов и способы их определения изложены в [8–10]. 1.3. Нормативные и расчетные характеристики грунтов основания Характеристики грунтов природного сложения должны определяться, как правило, на основе их непосредственных испытаний в полевых или лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов, поскольку, например, повышение влажности глинистых грунтов или пылеватых песков может привести к снижению их прочностных и деформативных показателей. Физико-механические свойства грунтов даже в пределах одного пласта непостоянны из-за его естественной неоднородности и изменения геологических условий. Поэтому для получения достоверных значений характеристик грунтов по ограниченному числу испытаний в различных точках пласта используют методику статистической обработки опытных данных [15]. На основании последних устанавливают нормативное значение определяемой характеристики грунта = = ∑ 1 1 , k n i i X X k (1.10) где k – число испытаний X i – частный (й) результат испытания. 13 Переход от нормативных характеристик к расчетным (X) осуществляют с учетом коэффициента надежности по грунту γ g , то есть = γ n g X X (1.11) При вычислении расчетных значений прочностных характеристик (удельного сцепления c, угла внутреннего трения ϕ дисперсных грунтов и предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R c , а также плотности грунта ρ) коэффициент γ g устанавливают в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа испытаний и значения доверительной вероятности α. При этом значение α при расчетах по первой группе предельных состояний принимается равным, а по второй – 0,85. Для предварительных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов оснований сооружений II и III классов нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов табл. 1.7, 1.8, 1.9) [8] допускается определять на основании их физических характеристик. При этом для отмеченных случаев вычисление расчетных величин проводится с использованием следующих значений коэффициента надежности по грунту в расчетах оснований по деформациям γ g = 1; в расчетах оснований по несущей способности для удельного сцепления γ g(c) = 1,5; для угла внутреннего трения песчаных грунтов γ g( ϕ) = 1,1; тоже, пылевато-глинистых γ g( ϕ) = 1,15. Таблица 1.7 Нормативные значения удельного сцепления c n , кПа (кгс/см 2 ), угла внутреннего трения ϕ n , град, и модуля деформации E, МПа (кгс/см 2 ), песчаных грунтов четвертичных отложений Песчаные грунты Обозначения характеристик грунтов Характеристики грунтов при коэффициенте пористости e, равном 0,45 0,55 0,65 0,75 Гравелистые и крупные c n 2 (0,02) 1 (0,01) – – ϕ n 43 40 38 – E 50 (500) 40 (400) 30 (300) – 14 Продолжение табл. 1.7 Песчаные грунты Обозначения характеристик грунтов Характеристики грунтов при коэффициенте пористости e, равном 0,45 0,55 0,65 0,75 Средней крупности c n 3 (0,03) 2 (0,02) 1 (0,01) – ϕ n 40 38 35 – E 50 (500) 40 (400) 30 (300) – Мелкие c n 6 (0,06) 4 (0,04) 2 (0,02) – ϕ n 38 36 32 28 E 48 (480) 38 (380) 28 (280) 18 (180) Пылеватые c n 8 (0,08) 6 (0,06) 4 (0,04) 2 (0,02) ϕ n 36 34 30 26 E 39 (390) 28 (280) 18 (180) 11 (110) Таблица 1.8 Нормативные значения удельного сцепления c n , кПа (кгс/см 2 ), угла внутреннего трения ϕ n , град, пылевато-глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести Обозначения характеристик грунтов Характеристики грунтов при коэффициенте пористости e, равном 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 Супеси 0,25 L I c n 21 (0,21) 17 (0,17) 15 (0,15) 13 (0,13) – – – ϕ n 30 29 27 24 – – – < ≤ 0,25 0,75 L I c n 19 (0,19) 15 (0,15) 13 (0,13) 11 (0,11) 9 (0,09) – – ϕ n 28 26 24 21 18 – – Суглинки (0,39) 34 (0,34) 28 (0,28) 23 (0,23) 18 (0,18) 15 (0,15) – ϕ n 24 23 22 21 19 17 – < ≤ 0,5 0,75 L I c n – – 25 (0,25) 20 (0,20) 16 (0,16) 14 (0,14) 12 (0,12) ϕ n – – 19 18 16 14 12 Глины 0,25 L I c n – 81 (0,81) 68 (0,68) 54 (0,54) 47 (0,47) 41 (0,41) 36 (0,36) ϕ n – 21 20 19 18 16 14 < ≤ 0,25 0,5 L I c n – – 57 (0,57) 50 (0,50) 43 (0,43) 37 (0,37) 32 (0,32) ϕ n – – 18 17 16 14 11 < ≤ 0,5 0,75 L I c n – – 45 (0,45) 41 (0,41) 36 (0,36) 33 (0,33) 29 (0,29) ϕ n – – 15 14 12 10 7 15 Таблица 1.9 Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов Происхождение и возраст грунтов Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателя текучести Модуль деформации Е, МПа (кг/см 2 ), при коэффициенте пористости е, равном 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 1,2 1,4 1,6 Четвертичные отложения Аллювиальные, делювиальные, озерные, озерно- аллювиальные Супеси 0 0,75 L I ≤ ≤ – 32 (320) 24 (240) 16 (160) 10 (100) 7 (70) – – – – – Суглинки 0 0,25 L I ≤ ≤ – 34 (340) 27 (270) 22 (220) 17 (170) 14 (140) 11 (110) – – – – 0,25 0,5 L I < ≤ – 32 (320) 25 (250) 19 (190) 14 (140) 11 (110) 8 (80) – – – – 0,5 0,75 L I < ≤ – – – 17 (170) 12 (120) 8 (80) 6 (60) 5 (50) – – – Глины 0 0,25 L I ≤ ≤ – – 28 (280) 24 (240) 21 (210) 18 (180) 15 (150) 12 (120) – – – 0,25 0,5 L I < ≤ – – – 21 (210) 18 (180) 15 (150) 12 (120) 9 (90) – – – 0,5 0,75 L I < ≤ – – – – 15 (150) 12 (120) 9 (90) 7 (70) – – – Флювиогляциальные Супеси 0 0,75 L I ≤ ≤ – 33 (330) 24 (240) 17 (170) 11 (110) 7 (70) – – – – – Суглинки 0 0,25 L I ≤ ≤ – 40 (400) 33 (330) 27 (270) 21 (210) – – – – – – 0,25 0,5 L I < ≤ – 35 (350) 28 (280) 22 (220) 17 (170) 14 (140) – – – – – 0,5 0,75 L I < ≤ – – – 17 (170) 13 (130) 10 (100) 7 (70) – – – – Моренные Супеси, суглинки 0,5 L I ≤ 75 (750) 55 (550) 45 (450) – – – – – – – – Юрские отложения оксфордского яруса Глины 0,25 0 L I − ≤ ≤ – – – – – – 27 (270) 25 (250) 22 (220) – – 0 0,25 L I < ≤ – – – – – – 24 (240) 22 (220) 19 (190) 15 (150) – 0,25 0,5 L I < ≤ – – – – – – – – 16 (160) 12 (120) 10 (100) 16 |