Р. Яковлев - Универсальный фундамент Технология ТИСЭ
Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)
Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта–основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.
Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 15), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.
Рис. 15. График зависимости осадки фундамента от нагрузки
На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформационно–напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся перемещением и уплотнением грунта (рис. 16):
OA — фаза упругих деформаций (рис. 16, а);
АБ — фаза уплотнения и местных сдвигов (рис. 16, б);
БВ — фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (рис. 16, в);
ВГ — фаза выпора (рис. 16, г);
ГД — фаза преобладающего бокового уплотнения (рис. 16, д).
Рис. 16. Схема развития деформаций и перемещений грунта: А — фаза упругих деформаций; Б — фаза уплотнения и местных сдвигов; В — фаза развития сдвигов и начало бокового уплотнения; Г — фаза выпора; Д — фаза преобладающего бокового уплотнения; 1 — нагрузка; 2 — фундамент; 3 — зона упругих деформаций; 4 — зона сдвиговых деформаций; 5 — выпор грунта; 6 — ядро уплотненного грунта; 7 — зона бокового уплотнения
Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в условиях строительства — OA, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответствует своя фаза деформаций:
OA — для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;
АБ — ленточный мелкозаглубленный фундамент;
АБ (конец) и БВ — столбчатый фундамент.
Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при создании свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (забивные сваи).
При возведении столбчато–ленточного фундамента по технологии ТИСЭ уровень напряжений в основании достаточно высок: задействуются вторая половина фазы АБ, фаза БВ и даже ВГ. Работа основания в широком диапазоне упругих деформаций обеспечивает "мягкое" восприятие нагрузки от веса возведенного строения.
Расчет оснований по несущей способности (для фаз OA, АБ, начало БВ) выполняют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:
S>γnF/γcRo, где
S — площадь подошвы фундамента (см2);
F — расчетная нагрузка на основание (общий вес дома, в том числе фундамент, полезная нагрузка, снеговой покров…) (кг);
γn = 1,2 — коэффициент надежности;
γc — коэффициент условий работы имеет следующие величины:
1.0 — глина пластичная, сооружение жесткой конструкции (каменные стены);
1.1 — глина пластичная, сооружения нежесткой конструкции (деревянные или каркасные стены) и жесткой конструкции длинные, с соотношением длины к высоте больше 4;
1.2 — глина слабопластичная, пески пылеватые маловлажные, строения нежесткие и жесткие короткие с соотношением длины к высоте меньше 1,5;
1.2 — крупный песок, строения жесткие длинные;
1.3 — пески мелкие, сооружения любой жесткости;
1.4 — крупный песок, сооружения нежесткие и жесткие длинные;
Ro — условное расчетное сопротивление грунта основания для фундаментов
с глубиной заложения 1,5…2 м (определяется по таблицам 4…8).
Таблица 4. Расчетные сопротивления Ro крупнообломочных грунтов
Таблица 5. Расчетные сопротивления RQ песчаных грунтов
Таблица 6. Расчетные сопротивления RQ непросадочных глинистых грунтов
Расчетное сопротивление глинистых грунтов и его влажность существенно зависят от пористости грунта ε (отношение объема пор к объему твердых частиц). Для новичка в строительстве этот показатель оценить в реальных условиях достаточно сложно, т. к. извлеченный грунт в свободном состоянии уже не обладает теми показателями, какие он имел на глубине, находясь под давлением.
Автором предложено связать пористость, а следовательно, и несущую способность грунта с глубиной его заложения в зависимости от того, по какую сторону границы промерзания находится подошва фундамента.
Любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется. В процессе своего существования пучинистый грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотняется до состояния "дальше некуда". Ничто не меняет это состояние в течение многих и многих десятков и сотен лет. В то же время грунт, находящийся выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании увеличивается в объеме. Влага, находящаяся в порах, увеличивает объем этих пор на 10%. Таким образом, грунт, находящийся выше границы промерзания, ежегодно "встряхивается", становясь пористым. Глинистый грунт, находящийся ниже глубины промерзания, обладает минимальной (ε = 0,3) пористостью и максимальной прочностью.
Просадочные глинистые грунты в сухом состоянии имеют повышенную пористость и вместе с тем обладают высокой механической прочностью, обусловленной сильными структурными связями (табл. 7).
Таблица 7. Расчетные сопротивления RQ просадочных глинистых грунтов природного сложения
Таблица 8. Расчетные сопротивления RQ насыпных грунтов
После механического уплотнения просадочных грунтов природного сложения (трамбование) происходит разрушение жесткого каркаса и потеря прочности:
— прочность сухой супеси — 2,0…2,5 кг/см2;
— прочность сухого суглинка — 2,5…3,0 кг/см2.
Большему значению расчетного сопротивления насыпных грунтов соответствуют крупные, средние и мелкие пески, шлаки…
Меньшему значению — пески пылеватые, супеси, суглинки, глины и золы.
Пример расчета фундамента по несущей способности грунта
Жилой каменный дом 7x8 м в два этажа имеет одну внутреннюю несущую стену. Вес дома с учетом снегового покрова и полезной нагрузки — около 180 т. Фундамент — заглубленный. Грунт — суглинок увлажненный (несущая способность 3,5 кг/см2)
Площадь подошвы фундамента определяется по формуле:
S>γnF/γcRo, где
F= 180000 кг
γc=1,0
R0= 3,5 кг/см?
S>1,2*180000/1,0*3,5 = 61800 см2 = 6,18 м*
При общей длине фундамента — около 35 м ширина подошвы фундамента должна быть не менее 6,18 / 35 = 0,18 м.
Влияние сейсмичности на несущую способность грунта
Задаваясь той или иной величиной расчетного сопротивления грунта, следует учитывать, что при одновременном воздействии статической нагрузки и вибраций прочность грунта снижается. Грунт, как говорят специалисты, приобретает свойства псевдожидкого состояния.
Индивидуальные застройщики, решившие возводить сейсмостойкий фундамент своими силами, должны учитывать уменьшение несущей способности грунта при сейсмических вибрациях. Ориентировочно табличную величину расчетного сопротивления грунта необходимо уменьшить в 1,5 раза, т. е увеличить площадь подошвы фундамента тоже в 1,5 раза.
Расчетное сопротивление грунта на разной глубине
Величины расчетного сопротивления грунтов (Ro), приведенные в таблицах 4..8 даны для глубины заложения фундамента 1,5…2 м.
