ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. Л. Ю. Артемова проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений учебное пособие
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ В ОТКРЫТЫХ КОТЛОВАНАХ Фундаменты в открытых котлованах – это такие фундаменты, которые после возведения в котловане засыпаются грунтом. Иногда их называют фундаментами мелкого или неглубокого заложения дом. Виды фундаментов Фундаменты подразделяют последующим признакам. По материалу фундаменты бывают бетонные, бутобетонные, из каменной или бутовой кладки и железобетонные. В водонасыщенных грунтах в качестве материала фундаментов иногда используют дерево. Материал фундаментов должен обладать необходимой прочностью, морозостойкостью и сопротивляться воздействию подземных вод. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают бетон иже- лезобетон. По способу изготовления различают фундаменты монолитные, возводимые непосредственно в котловане, и сборные, которые монтируют из элементов заводского изготовления. В отличие от сборных, монолитные фундаменты более трудоемки в изготовлении, требуют большего времени на их возведение и создание особых условий для набора прочности бетона при его твердении. По характеру нагружения фундаменты бывают центрально и внецентренно нагруженные. По условиям работы различают следующие типы фундаментов жесткие – работающие на сжатие и выполняемые преимущественно из каменной кладки, бетона и бутобетона; гибкие – воспринимающие сжимающие и изгибающие усилия и изготавливаемые из железобетона. По форме фундаменты делят на ленточные, отдельные, сплошные и массивные. Ленточные фундаменты как правило, выполняют под несущие и самонесущие стены сооружений (риса, а также под колонны в 60 виде одиночных (рис. 5.1, били перекрестных (рис. 5.1, в) лент. Изготавливают такие фундаменты либо в монолитном, либо в сборном варианте. При этом для сборного варианта (рис. 5.2) используют типовые фундаментные стеновые блоки (табл. 5.1) и фундаментные плиты подушки) (табл. 5.2) заводского изготовления. Рис. 5.1. Ленточные фундаменты 1 – стена 2 – фундаментная подушка 3 – колонна Рис. 5.2. Ленточный сборный фундамент 1 – стена 2 – фундаментные блоки 3 – фундаментные плиты Таблица 5.1 Фундаментные блоки стеновые по ГОСТ 13579-78 [12] Наименование изделия Размеры, см Вес, т l b h ФБС 8-3-6 ФБС 8-4-6 ФБС 8-5-6 ФБС 8-6-6 80 80 80 80 30 40 50 60 60 60 60 60 0,34 0,45 0,55 0,69 1 2 а) 3 б) 2 в) 1 2 3 61 Продолжение табл. 5.1 Наименование изделия Размеры, см Вес, т l b h ФБС 9-3-6 ФБС 9-4-6 ФБС 9-5-6 ФБС 9-6-6 90 90 90 90 30 40 50 60 60 60 60 60 0,38 0,5 0,6 0,7 ФБС 12-3-6 ФБС 12-4-6 ФБС 12-5-6 ФБС 12-6-6 120 120 120 120 30 40 50 60 60 60 60 60 0,5 0,7 0,8 1,0 ФБС 24-3-6 ФБС 24-4-6 ФБС 24-5-6 ФБС 24-6-6 240 240 240 240 30 40 50 60 60 60 60 60 1,03 1,3 1,6 2,0 Эскиз Таблица 5.2 Плиты ленточных фундаментов по ГОСТ 13580-85 [13] Марка плиты Размеры, мм Масса плиты справочная, т b l h с ФЛ 6.12-4 600 1180 300 – 0,45 ФЛ 8.12-4 800 1180 150 0,55 ФЛ 10.30-2 1000 2980 250 1,75 ФЛ 12.30-4 1200 2980 350 2,05 ФЛ 12.24-1 2380 1,63 ФЛ 12.8-4 780 0,5 ФЛ 14.30-3 1400 2980 400 2,4 ФЛ 14.8-2 780 0,58 ФЛ 16.8-2 1600 780 500 0,65 ФЛ 20.30-4 2000 2980 500 700 5,10 ФЛ 20.24-2 2380 4,05 ФЛ 24.30-4 2400 2980 1000 5,98 ФЛ 28.12-1 2800 1180 2,82 ФЛ 32.12-1 3200 1180 1200 3,23 ФЛ 32.12-2 ФЛ 32.12-3 b l h 62 Продолжение табл. 5.2 Марка плиты Размеры, мм Масса плиты справочная, т b l h с Эскиз Примечания 1. В марке плиты буквами (ФЛ) обозначен вид конструкции, те. фундамент ленточный первые две цифры – ширина и длина плиты в дециметрах, третья цифра – группа плиты по несущей способности. 2. В таблице приведена только часть номенклатуры плит ГОСТа. Рис. 5.3. Монолитные (а, б) и сборные (в, г, д) железобетонные фундаменты 1 – колонна 2 – стакан 3 – фундамент 4 – одноступенчатый башмак стаканного типа 5 – тоже, многоступенчатый 6 – опорные плиты Применение ленточных фундаментов наиболее целесообразно при неоднородных грунтах и различных по величине нагрузках, так как b l c h 1 2 3 1 3 а) б 4 1 5 1 в) г) д 63 при этих условиях обеспечивается выравнивание осадок сооружения и повышается его жесткость. Отдельные фундаменты устраивают под колонны каркасных зданий, а при небольших нагрузках и надежных основаниях – под стены бескаркасных сооружений (столбчатые фундаменты. Они могут быть как в монолитном, таки в сборном исполнении (рис. 5.3). В строительной практике используются, как правило, типовые фундаменты, технические параметры некоторых из них приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Железобетонные сборные фундаменты по ГОСТ 24476-80* [14] Эскиз Марка фундамента Размеры, мм Масса, т h Под колонны сечением 300 ×300 мм а Ф 1200 750 450 225 1,9 Ф Ф Ф 1200 900 550 175 2,1 Ф Под колонны сечением 400 ×400 мм б Ф 1500 750 450 225 2,5 Ф Ф 1500 900 450 225 3,2 Ф 1800 750 450 225 4,3 Ф 2100 750 450 225 4,5 Ф 2100 900 450 225 5,5 Ф 1500 900 550 175 3,0 Ф 1800 900 550 175 4,0 Ф 1800 1050 550 175 4,5 Ф 2100 900 550 175 5,3 Ф 2100 1050 550 175 5,8 Примечание Первые две цифры в марке фундамента (Ф) обозначают его длину и высоту в дециметрах, третья – класс несущей способности. h l a 1 a 1 a 2 a 2 a 2 a 2 l l h а) б 64 Монолитные ленточные и отдельные фундаменты из бетона, бутовой или каменной кладки проектируют как жесткие, имеющие ступенчатое очертание сечения. Высота (h y ) и ширина (b y ) уступов определяются с помощью так называемого угла жесткости α (рис. 5.4) или – угла распределения давления в материале фундамента. Использование этого угла позволяет получить такие размеры фундамента, при которых возникающие в его теле скалывающие усилия не превышают предельных значений. Рис. 5.4. Схема к понятию угла жесткости Величина угла жесткости зависит от прочности материала фундамента, давления на грунт основания и типа фундамента. Для фундаментов, выполненных из тяжелого бетона, можно пользоваться данными табл. 5.4. Таблица 5.4 Величины углов жесткости Класс бетона Давление на грунт p, МПа Ленточный фундамент Отдельный фундамент α b y / h y = tg α α b y / h y = tg α В и более ≤ 0,15 > 0,15 36°30 ′ 33°30 ′ 0,74 0,67 33°30 ′ 31°13 ′ 0,67 0,61 Менее В ≤ 0,15 > 0,15 33°30 ′ 29°44 ′ 0,67 0,57 31°13 ′ 26°30 ′ 0,61 0,5 Сплошные фундаменты выполняют под всем сооружением в виде железобетонных плит. На них могут опираться как стены, таки колонны (рис. 5.5). h у b у α 65 Рис. 5.5. Сплошной фундамент Сплошные фундаменты работают на изгиб и могут выравнивать осадки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Массивные фундаменты выполняют в виде объемного монолитного массива под все сооружение (дымовые трубы, доменные печи, опоры мостов. Они имеют относительно небольшие размеры в плане, передают на основание значительные вертикальные и горизонтальные нагрузки и обеспечивают устойчивость сооружения против опрокидывания. 5.2. Расчет фундаментов В результате расчета определяют глубину заложения подошвы фундамента (см. раздел 4), его размеры и армирование. Размеры подошвы назначаются на основании ограничения давления) в основании расчетным сопротивлением грунта (R) по условию p R ≤ (5.1) 5.2.1. Определение размеров подошвы центрально нагруженного фундамента Центрально-нагруженным считается фундамент, равнодействующая внешних нагрузок которого проходит через центр тяжести его подошвы. Особенностью проектирования фундамента является то, что его размеры назначают, исходя из расчетного сопротивления грунта основания, которое является переменной величиной и зависит, в свою очередь, от размеров подошвы фундаментов. Это приводит к необходимости выполнять расчет с помощью последовательных приближений. Из условия статического равновесия фундамента (рис. 5.6) следует, что нагрузка отвеса здания N 0II , веса грунта обратной засыпки 66 на обрезах фундамента N gII и веса самого фундамента N fII должна уравновешиваться средним реактивным давлением по подошве фундамента, тогда 0II II II g f N N N p A + + = (5.2) Рис. 5.6. Расчетная схема центрально нагруженного фундамента Значение p должно удовлетворять условию p ≤ R; при этом считают, что фундамент имеет экономически целесообразное решение, если величина p отличается от R не более чем на 5…10% в меньшую сторону. Из анализа формулы (5.2) ирис следует, что пока не найдены площадь (A) и глубина заложения (d f ) подошвы фундамента N gII и N fII остаются неизвестными. Принимая в формуле (5.2) II II , g f m f N N d A + = β ⋅ γ ⋅ ⋅ (5.3) получим 0II m f N p d A = + β ⋅ γ ⋅ (5.4) Здесь β – коэффициент, учитывающий меньший удельный вес грунта по сравнению с удельным весом материала фундамента γ m . В практических расчетах принимают β·γ m = 20 кН/м 3 Из формулы (5.4) с учетом p = R получим площадь подошвы фундамента 0II m f N A R d = − β ⋅ γ ⋅ (5.5) N gII p ≤ R d f N gII N fII N 0II 67 При определении A в первом приближении принимают R = R 0 , где R 0 – условное расчетное сопротивление грунта основания фундаментов, имеющих ширину b = 1 ми глубину заложения d f = 2 м табл. 3.5…3.8). В последующих приближениях величину R определяют по формуле. Для ленточных фундаментов расчет ведется нам длины, поэтому его ширина b = A/1. Для фундаментов с прямоугольной подошвой предварительно задаются соотношением сторон η = l/b, тогда / , b A = η а для квадратных По результатам расчета проверяют выполнение условия (5.1). Пример 5.1. Требуется запроектировать ленточный фундамент монолитного типа под наружную стену в бесподвальной части здания. Основание – пески пылеватые, маловлажные. Глубина заложения подошвы фундамента составляет 1 м. На уровне спланированной земли действует расчетная нагрузка N 0II = 350 кН/м. Здание имеет высоту H = 42 ми длину L = 36 м. Решение По табл. 3.6 для песка пылеватого влажного находим R 0 = 0,2 МПа, а по формуле (5.5) находим ориентировочную площадь подошвы фундаментам. Так как расчет ведется нам длины фундамента, площадь которого равна A = b ×1 м, то требуемая ширина подошвы фундамента составит b = 1,94 м. Окончательно примем b = 2,0 мм. Вычислим вес 1 м длины фундамента II 2 0,3 1 25 15 f N = ⋅ ⋅ ⋅ = кН. Принимая удельный вес обратной засыпки грунта равным 18,5 кН/м 3 , определяем вес грунта на обрезах фундамента ( )( ) II 2 0,6 1 0,3 1 18,5 18,13 g N = − − ⋅ ⋅ = кН. По формуле (5.2) найдем среднее давление по подошве фундамента кН/м 2 0,192 ≅ МПа. Вычислим отношение L/H = 36/42 = 0,86 и по табл. 3.3 найдем значения коэффициентов условий работы γ c1 = 1,25 и γ c2 = 1,2. Для пылеватых песков значения угла внутреннего трения и удельного сцепления соответственно составят ϕ II = 32°, c II = 0,005 МПа (табл. 1.7). По ϕ, используя табл. 3.4, находим M γ = 1,34, M q = 6,34 и M c = 8,55. Коэффициент, так как ϕ II и c II определялись по [8]; k z = 1, так как b = 2 мм. Значение II II 18,5 ′ γ = γ = кН/м 3 ; d 1 = 1,0 м d b = 0. По формуле (3.4) определяем расчетное сопротивление грунта основания ( ) 3 1,25 1,2 1,34 1 2 18,5 6,34 1 18,5 8,55 0,005 10 1 R ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = 314 = кН/м 2 0,314 = МПа. Условие (5.1) выполняется, так как p = 0,192 МПа < R = 0,314 МПа. Однако несущая способность основания используется не полностью – на 61%. Поэтому делаем перерасчет, приняв b = 1,3 м. Вычисляем II 1,3 0,3 1,0 25 9,75 f N = ⋅ ⋅ ⋅ = кН, ( )( ) II 1,3 0,6 1 0,03 1 18,5 9,07 g N = − − ⋅ ⋅ = кН, 350 9,75 9,07 283,7 1,3 1 p + + = = ⋅ кН/м 2 0,284 ≅ МПа, ( ) 3 1,25 1,2 1,34 1 1,3 18,5 6,34 1 18,5 8,55 0,005 10 1 R ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = 288 = кН/м 2 0,288 = МПа. Условие (5.1) выполнено, недонапряжение составляет 1,4% < < 10%, следовательно, фундамент запроектирован экономично. 5.2.2. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента Внецентренно нагруженным называют фундамент, равнодействующая всех внешних нагрузок которого проходит вне центра тяжести площади подошвы. 69 При внецентренном приложении внешней нагрузки эпюра контактных давлений по подошве будет неравномерной, а ее очертание будет зависеть от эксцентриситета равнодействующей внешней нагрузки. При этом, если равнодействующая нагрузки находится в пределах ядра сечения (для прямоугольного фундамента – это симметричная область размером b/3 в центре подошвы фундамента, тона- пряжения под подошвой фундамента распределяются по трапецеидальной эпюре (риса если на границе ядра сечения, то по треугольной (рис. 5.7, б, и, если за пределами ядра сечения, то эпюра должна быть двузначной (рис. 5.7, в. Однако так как грунты оснований не могут воспринимать растягивающие усилия, тов последнем случае произойдет отрыв подошвы фундамента от поверхности грунта. Рис. 5.7. Эпюры контактных напряжений при внецентренном нагружении Согласно расчетной схеме (рис. 5.8), можно найти составляющие усилий, действующих в уровне подошвы фундамента, из следующих выражений b /3 b/3 b/3 b p min N b /3 b /3 b /3 b p max p max N b /3 b/3 b/3 b а) б) в) 70 II 0II II II II 0II II 0 II 0II II 0II II ; ; f g a g f a N N N N M M E a N e T d T T E = + + ⎫ ⎪ = + ⋅ − ⋅ + ⋅ ⎬ ⎪ = + ⎭ (5.6) Рис. 5.8. Расчетная схема внецентренно нагруженного фундамента Индекс II означает, что расчетные усилия в данном случае определены для расчета по деформациям. Максимальные и минимальные напряжения под подошвой вне- центренно нагруженного фундамента определяют по формуле вне- центренного сжатия II II max min , N M p A W = ± (5.7) где W – момент сопротивления площади подошвы фундамента. Или max min 6 П l b ⎛ ⎞ = ± ⎜ ⎟ ⋅ ⎝ ⎠ (5.8) Вследствие возможного перераспределения напряжений с более загруженных на менее загруженные участки грунта под подошвой фундамента нормами предусмотрено увеличение расчетного сопротивления грунта основания на 20%, то есть основное ограничение по максимальному краевому давлению имеет следующий вид max 1,2 . p R ≤ (5.9) Для минимального краевого давления из условия недопущения отрыва подошвы фундамента от грунта принимают min 0. p ≥ (5.10) Кроме того, необходимо выполнение условия (5.1). При проектировании внецентренно нагруженных фундаментов определение размеров подошвы осуществляют аналогично решению задачи при центральном нагружении. Если значение эксцентриситета внешней нагрузки e = M II /N II ≤ ≤ 0,03b, то расчет прямоугольного фундамента выполняют как центрально нагруженного, поскольку в этом случае всегда выполняется условие (5.9). Если равнодействующая внешних нагрузок N II приложена к фундаментам с эксцентриситетами e x и e y относительно обеих главных осей инерции площади подошвы (рис. 5.9), то максимальные и минимальные давления будут в угловых точках II II II max min , y x x y N e N N e p A W W ⋅ ⋅ = ± ± (5.11) где W x , W y – моменты сопротивления относительно главных осей. Рис. 5.9. Внецентренное загружение фундамента относительно двух главных осей инерции Для максимального давления под угловыми точками нормами установлено следующее ограничение l y x b A e y e x 72 max 1,5 . p R ≤ (5.12) Пример 5.2. Требуется подобрать размеры внецентренно нагруженного монолитного фундамента для бесподвальной части здания, если в уровне спланированной поверхности земли приложены N 0II = 900 кН и M 0II = 180 кН·м. Глубина заложения фундаментам. Грунт однородного основания – песок мелкий, пылеватый, влажный, II II 18,5 ′ γ = γ = кН/м 3 , ϕ II = 32°, c II = 0,005 МПа (см. пример 5.1). Отношение длины здания к высоте L/H = 0,86. Решение По табл. 3.6 R 0 = 0,2 МПа. По формуле (5.5) находим площадь подошвы фундамента из условия центрального загружения: 3 900 5 0,2 10 20 1 A = = ⋅ − ⋅ м 2 Так как фундамент внецентренно нагруженный, то площадь фундамента увеличиваем на 20%, тогда A = 6 м. Задаемся отношением сторон фундамента η = l/b = 1,5. Считаем, что изгибающий момент действует в направлении его длины, тогда l = 1,5b. Вычисляем 6 2 1,5 b = = мм. Находим вес фундамента при его толщине 0,3 м II 6 0,3 25 45 f N′ = ⋅ ⋅ = кН. Находим вес части колонны сечением 0,4 ×0,4 м, находящейся до спланированного уровня земли ( ) II 0,4 0,4 1 0,3 25 2,8 f N′′ = ⋅ ⋅ − ⋅ = кН. Находим вес грунта на обрезах фундамента ( ) II 6 1 0,3 18,5 2,8 74,9 g N = ⋅ − ⋅ − = кН. Суммарная вертикальная нагрузка составит II 900 45 2,8 74,9 1022,7 N = + + + = кН. Значение эксцентриситета внешней нагрузки в уровне подошвы фундамента составит II II 180 0,18 1022,7 M e N = = = мм Максимальные и минимальные давления под гранями подошвы фундамента составят max 2 1022,7 180 6 230,45 6 2 3 p ⋅ = + = ⋅ кН/м 2 0,23 ≅ МПа, min 2 1022,7 180 6 110,45 6 2 3 p ⋅ = − = ⋅ кН/м 2 0,11 ≅ МПа. Проверяем выполнение условий (5.9), (5.10) и (5.1): max 0,23 1,2 0,314 0,37 p = < ⋅ = МПа, min 0,11 0, p = > 1022,7 170,5 6 p = = кН/м 2 0,17 ≅ МПа 0,314 < МПа. Так как недонапряжение по максимальному давлению составляет, тоне меняя b = 2 м, делаем перерасчет, приняв l = 2,2 м II 2,2 2 0,3 25 33 f N′ = ⋅ ⋅ ⋅ = кН, II 2,8 f N′′ = кН, ( ) II 2,2 2 1 0,3 18,5 2,8 54,18 g N = ⋅ ⋅ − ⋅ − = кН, II 900 33 2,8 54,18 990 N = + + + = кН, max 2 990 180 6 336,57 2,2 2 2 2,2 p ⋅ = + = ⋅ ⋅ кН/м 2 0,34 ≅ МПа 0,37 < МПа, min 2 990 180 6 113,43 2,2 2 2 2,2 p ⋅ = − = ⋅ ⋅ кН/м 2 0,11 ≅ МПа 0, > 990 225 2,2 2 p = = ⋅ кН/м 2 0,23 ≅ МПа 0,314 < МПа. Все условия выполняются, а недонапряжение по максимальному давлению составляет 8,1% (< 10%), следовательно, размеры фундамента подобраны правильно. |