Группа предельных состояний оснований и фундаментов представляет собой набор условий, при которых конструкции могут достичь своего предельного состояния, влияя на безопасность и надежность эксплуатации. Эти состояния включают в себя такие аспекты, как предельные деформации, прочность материалов и устойчивость, и обеспечивают комплексный подход при проектировании.
При расчете оснований и фундаментов важно учитывать влияние различных факторов, таких как нагрузки, свойства грунта и климатические условия. Правильное определение предельных состояний позволяет гарантировать долговечность и безопасность зданий, минимизируя риски аварийных ситуаций и обеспечивая эффективное использование ресурсов.
34. Общие положения расчета оснований и фундаментов по предельным состояниям
Общие сведения. Основания и фундаменты надлежит проектировать так, чтобы была надежно обеспечена возможность нормальной эксплуатации сооружений. Для этого они должны быть прочными и устойчивыми, т. е. обладать достаточной несущей способностью. Если это условие не выполнено, то несущая способность основания и фундамента может оказаться исчерпанной, в результате чего расположенное на них сооружение будет разрушено или деформировано в такой степени, что нормальная эксплуатация сооружения будет невозможно или значительно затруднена. Различают пять форм исчерпания несущей способности оснований и фундаментов: 1) исчерпание прочности фундамента (прочности материала фундамента), приводящее к его разрушению; 2) исчерпание устойчивости фундамента, приводящее к его опрокидыванию; 3) исчерпание устойчивости фундамента, вызывающее его сдвиг; 4) исчерпание прочности основания, приводящее к большим просадкам; 5) исчерпание устойчивости основания, сопровождающееся сдвигом массы грунта совместно с фундаментом по некоторой поверхности скольжения — глубокий сдвиг.
Наиболее характерные схемы потери устойчивости фундаментов: опрокидывание с поворотом; плоский сдвиг; глубокий сдвиг.
Расчеты, выполняемые с целью не допустить исчерпания несущей способности оснований и фундаментов, называют расчетами их на прочность и устойчивость.
Основания и фундаменты могут обладать достаточной несущей способностью, но под воздействием нагрузок получать значительные перемещения, недопустимые по условиям нормальной эксплуатации сооружений. Расчеты оснований и фундаментов, имеющие целью не допустить таких перемещений, называются расчетами по деформациям.
Железобетонные конструкции фундаментов рассчитывают также на трещиностойкость. Такие расчеты должны исключить возможность чрезмерного раскрытия трещин, при котором возникает опасность коррозии (ржавления) арматуры. На трещиностойкость фундаменты рассчитывают обычными методами расчета железобетонных конструкций, которые в настоящем курсе не рассматриваются.
Расчеты оснований и фундаментов на прочность, устойчивость по деформациям и на трещиностойкость, как и других строительных конструкций, выполняют по методу предельных состояний. Под предельным состоянием подразумевается такое напряженное состояние конструкций или оснований, когда при самом незначительном увеличении нагрузок они перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям: наступает их разрушение, возникают недопустимые деформации, происходит потеря устойчивости и т. п.
Основания и фундаменты мостов и труб под насыпями рассчитывают по двум группам предельных состояний: по первой группе — по несущей способности оснований, устойчивости фундаментов против опрокидывания и сдвига, устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов, прочности и устойчивости конструкций фундаментов; по второй группе — по деформациям оснований и фундаментов (осадкам, кренам, горизонтальным перемещениям), трещиностойкости железобетонных конструкций фундаментов.
Расчет по первой группе предельных состояний выполняют с целью не допустить исчерпания несущей способности и устойчивости оснований и фундаментов. Расчет производят исходя из условия F≤Fu, (6.1) где F — силовое воздействие (нагрузка) на основание или на фундамент; Fu — несущая способность (сила предельного сопротивления) основания или фундамента.
Цель расчета по второй группе предельных состояний — исключить возможность возникновения недопустимых по условиям нормальной эксплуатации сооружения деформаций (осадок, кренов, сдвигов) оснований и фундаментов. Расчет производят, исходя из соблюдения условия s < su, (6.2)где s — совместная деформация основания и фундамента, определяемая расчетом; su —соответствующее предельно допустимое значение деформации.
При расчетах оснований и фундаментов необходимо иметь в виду, что по характеру действия на фундамент нагрузки подразделяют на постоянные и временные, которые могут действовать только в вертикальном направлении или же в горизонтальном и вертикальном направлениях одновременно. Последний случай является наиболее характерным для фундаментов мостов. К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции, грунта и воды, а также горизонтальное давление грунта и воды. Остальные нагрузки относят к временным.
При проектировании фундаментов следует учитывать, что длительно действующие постоянные нагрузки оказывают решающее влияние на рост остаточной равномерной или неравномерной осадки оснований. Временные нагрузки, действующие на сооружение лишь в течение короткого промежутка времени, почти не оказывают влияния на увеличение остаточных деформаций. Это объясняется тем, что уплотнение фундаментом большой массы грунта представляет собой не кратковременное явление, а длительный, сложный, зависящий от многих факторов процесс. Кроме фактора продолжительности действия нагрузки на степень уплотнения грунтов оказывает большое влияние удельное давление, с увеличением которого возрастает осадка основания.
Основными характеристиками нагрузок и воздействий являются Их нормативные значения, принимаемые для постоянных нагрузок по проектным значениям геометрических параметров конструкций и по средним значениям плотности материалов; для временных (подвижных и монтажных) нагрузок по ожидаемым наибольшим значениям для предусмотренных условий эксплуатации сооружений или производства работ по их возведению.
Поскольку теоретические методы расчета совместной работы фундаментов и оснований пока еще недостаточно разработаны, при проектировании по предельным состояниям принимают систему расчетных коэффициентов, гарантирующих необходимую надежность проектных решений. Эти коэффициенты, именуемые коэффициентами надежности, позволяют раздельно учесть возможные отклонения в значениях действующих нагрузок, особенностях работы сооружений, в физико-механических свойствах материалов и грунтов.
Коэффициент надежности по нагрузке γf учитывает возможные отклонения в неблагоприятную сторону (большую или меньшую) значений нагрузок в процессе эксплуатации от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации. Расчетные нагрузки и воздействия получают умножением их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке.
Уменьшение вероятности одновременного превышения несколькими нагрузками их расчетных значений по сравнению с вероятностью превышения одной нагрузкой ее расчетного значения учитывают коэффициентом сочетаний.
Основными параметрами сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления, устанавливаемые нормами проектирования строительных конструкций с учетом случайной изменчивости механических свойств материалов.
Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований фундаментов и их деформации, являются нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов (угла внутреннего трения, удельного сцепления, модуля деформации, сопротивлений одноосному сжатию и сдвигу скальных и мерзлых грунтов и т. д.).
Основания
- Свойства грунтов
- Распределение напряжений в основании
- Несущая способность
- Осадка оснований
- Повышение несущей способности оснований
Расчет оснований фундамента по предельным состояниям
Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: по первой — по несущей способности и по второй — по деформациям.
Расчет строительных конструкций и оснований в нашей стране ведут методом предельных состояний.
Если нормальная эксплуатация сооружения невозможно при исчерпывании грунтом прочности, то достигается предельное состояние основания по несущей способности (первое предельное состояние). Если деформации основания оказываются чрезмерными для надземных конструкций (при напряжениях меньше предела прочности грунта), то достигается предельное состояние основания по деформациям (второе предельное состояние).
Целью расчета оснований по предельным состояниям является уточнение предварительно принятых размеров фундамента такими пределами, при которых гарантируется прочность, устойчивость и трещиностойкость конструкций, включая общую устойчивость сооружения, а также нормальная эксплуатация подземных конструкций при любых возможных нагрузках и воздействиях.
Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях и по не сущей способности (в случаях, указанных в п. 2.3[1]).
Расчёт основания по деформациям (II группа предельных состояний)
Расчеты оснований по деформациям производят исходя из теории линейно-деформируемой среды (теории упругости).
Целью расчета оснований по II группе предельных состояний (по деформациям) является ограничение абсолютных перемещений фундаментов и подземных конструкций такими пределами, при которых гарантировалась бы нормальная эксплуатация сооружения и не снижалась бы его долговечность.
Расчет абсолютной осадки фундамента S:
Расчет сводится к удовлетворению основного условия ,
где S — совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом;
SU — предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемого [2, прил. 4].
Расчёт осадки основания производим методом послойного суммирования, в соответствии с приложением 2[1], т.к. м и в основании нет грунтов с МПа.
Сущность метода состоит в следующем: основание разбивается на элементарные слои; в пределах сжимаемой толщи определяется осадка каждого слоя от дополнительных вертикальных напряжений; затем осадки всех элементарных слоев суммируются.
Результаты расчёта представлены в таблице 2, где:
1) Для построения эпюр уzр и у zg грунт на разрезе строительной площадки, расположенный ниже подошвы фундамента, разбивается на элементарные слои высотой hi , так, чтобы выполнялось условие:
толщина элементарного слоя, принимается из условия , при
2) Определяют вертикальные напряжения от собственного веса грунта уzgi на границе i — го слоя, залегающего на глубине zi по формуле (на уровне подошвы фундамента), т.к. песок средней крупности: средней плотности, слабожимаемый и не является водоупором, то вес части слоя песка, расположенного ниже УГВ, будет рассчитываться с учётом взвешивающего действия воды: .
Результаты расчета заносим в графу 4 таблицы 2.
3) Находят дополнительные вертикальные напряжения от внешней нагрузки на глубине zi под подошвой фундамента (по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента):
коэффициент определяемый по табл.1 прил. 2[1] в зависимости от : ; ……
Значения о, б, уzpi заносим в таблицу 2 в графы 6, 7 и 8 соответственно.
4) Нижняя граница сжимаемой толщи основания условно находится на глубине Z = Hс, там, где уzр = 0,2 уzg, если модуль деформации этого слоя или непосредственно залегающего под этой границей больше или равен 5 МПа.
Z = 8,1052 м, что соответствует точке пересечения.
Hс можно определить графически как точку пересечения эпюр уzр и 0,2 уzg , построенных в масштабе.
5) среднее значение вертикального напряжения от внешней нагрузки в каждом i — том слое грунта: :
6) Полная осадка основания определяется как сумма осадок отдельных слоёв в пределах сжимаемой толщи по формуле:
где в — безразмерный коэффициент, учитывающий условность расчетной схемы, принимаемый равным 0,8.
Полученные значения записываются в графе 10 таблицы 2. Таблица 2 — смотрите приложение 2.
7) Предельно допустимая осадка для данного здания определяется по прил.4[1]:
Таким образом, основное условие расчета основания фундамента по деформациям удовлетворено:
Рис. 3. Расчетная схема к определению осадки методом послойного суммирования
Как строители проектируют фундаменты и основания исходя из предельных состояний?
При обустройстве фундаментов и оснований зданий строители преследуют две цели — чтобы бетонная конструкция получилась надежной и недорогой. В погоне за максимальной надежностью можно потерять большие деньги. Ведь потребуются дополнительные расходы на стройматериалы. Кроме этого увеличатся объемы работы.
А если возникнет желание сэкономить, то о высокой надежности основания/фундамента придется забыть. Как же тогда добиться баланса?
Нужно применить методику, предполагающую ведение расчетов по предельным показателям. Ее суть — следует приблизить нагрузки, возникающие в основаниях и фундаментах сооружений к установленным предельным значениям. Максимальная приближенность расчетов к предельным показателям гарантирует экономичность и надежность будущей бетонной конструкции.
Про две группы предельных состояний
Существует первая группа предельного состояния фундамента/основания по показателю несущей способности. При проведении расчетов важно исключить возможное разрушение бетонной конструкции, вызванное утратой устойчивости и прочности из-за оказываемой нагрузки или неблагоприятного внешнего воздействия.
Подобные расчеты по несущей способности помогают также избежать сдвига фундамента или его опрокидывание. Осуществляют их только при обустройстве оснований/фундаментов, на которые предполагается огромная горизонтальная или сейсмическая нагрузка. Другие случаи применения расчетов по первой группе:
- Если высока вероятность появления выдергивающих нагрузок
- Если фундаменты располагаются рядом с нисходящим откосом грунта
- Если основания созданы из скального грунта
- Если у основания здания лежит слабый грунт с мягко- и текучепластичной консистенцией
Также строители рассчитывают предельные состояния фундаментов/оснований по показателю деформаций (это вторая группа). В процессе расчета обязательно исключаются факторы, которые мешают нормально использовать возведенное здание. Речь идет о чрезмерном количестве (размере) трещин, а также недопустимых выгибах, прогибах, кренах, осадках, динамических нагрузках и амплитудных колебаниях.
Почему появляются осадки? Потому что вся возведенная конструкция собственным весом давит на фундамент, который воспринимает эту нагрузку и передает ее в грунт. А он, в свою очередь, не выдерживает степень механическое усилия проседает.
При этом осадок фундамента не является критическим. Еще страшней, когда появляются трещины. Подобному зданию можно смело присваивать статус аварийного. Чтобы такого не происходило, строители применяют вторую группу расчета предельных состояний фундамента/основания.
А если грунт слабый, то они дополнительно рассчитывают по первой группе. Конечная цель этих мероприятий сводится к тому, чтобы бетонные конструкции зданий возводились из такого количества и типа материалов, которые не допустят возникновение предельных состояний.
В каких случаях можно не проводить расчет по деформациям? Если по всей подошве фундамента давление не превышает расчетного показателя сопротивления грунта. Плюс, если выполнено хотя бы одно из трех следующих требований — если уровень изменения сжимаемости основания ниже предельного значения, если инженерные и геологические условия полностью соответствуют типовому проекту, если грунтовые условия подходят для возведения объекта необходимой этажности и размера.
В районах с проблемным грунтом для строительства домов часто используют проектирование свайных фундаментов. В случае задействования такого типа фундамента нагрузка от здания передается на основание через опоры, что позволяет избежать деформации и сохранить целостность объекта.
Укрепление грунтов необходимо для предотвращения их смещений, вызванных подземными водами, осадками или ветром. Деформации также могут возникать вследствие человеческой активности, такой как прокладка дорог или строительство тоннелей.
Обследование оснований и фундаментов считается обязательным мероприятием при строительстве или реконструкции здания. Кроме фундамента также подлежат тщательному обследованию все его несущие конструкции, для определения функциональности элементов.
Согласно установленным правилам, проектирование свайных фундаментов делается с учетом различных данных. Это информация о сейсмических процессах, происходящих в районе будущего строительства, заключение геотехнических исследований, расчеты нагрузок на основание фундамента,
Шпунтирование котлованов представляет собой устройство ограждений котлованов путем забивки шпунтов. Шпунтовые ограждения считаются эффективнее других известных видов оградительных конструкций.
Бурение скважины на собственном участке — самый простой, удобный и бюджетный способ обеспечить водой частный дом или дачу. Не нужно ждать подвоза воды или ездить за ней на водокачку — живительная влага всегда будет под рукой.
Технологии в современном строительстве претерпели множество изменений. Простые и эффективные решения, заменили устаревшие практики, и уверенно зарекомендовали себя. К таком технологиям относится и алмазное бурение.
Шпунт Ларсена представляет собой металлический профиль с замками и пазами, который используют при строительстве мостов, ограждений, возведении подпорных стенок и укреплении котлованов. При погружении шпунта создаются ограждения, которые препятствуют перемещению грунта.
Контакты для связи и заказа
