Гибкий ленточный фундамент — это тип фундамента, который обеспечивает равномерное распределение нагрузки от строения на грунт и сохраняет целостность конструкции даже при неравномерных осадках. Он состоит из монолитной или сборной бетонной ленты, которая по периметру здания и под несущими стенами обеспечивает прочность и устойчивость.
Такой фундамент характеризуется способностью адаптироваться к небольшим деформациям почвы благодаря своей гибкости, что делает его идеальным выбором для слабых и подвижных грунтов. Гибкий ленточный фундамент хорошо подходит для строительства как жилых, так и коммерческих объектов, учитывая специфические условия местности.
Проектирование гибких фундаментов
Особенности жестких и гибких фундаментов При расчете жестких фундаментов была принята условная линейная зависимость распределений напряжений под подошвой фундамента. При расчете фундаментов конечной жесткости (гибких фундаментов-балок и плит) условная линейная эпюра распределения напряжений под подошвой гибкого фундамента неприемлема. В этом случае необходимо учитывать изгибающие моменты М и поперечные силы Q, возникающие в самой конструкции фундамента, вследствие действия неравномерных контактных реактивных напряжений по подошве фундамента (см. схему на рис. 2.22, а). гл . гр гр гр расчетная схема lWJF эпюра реактивных давлений грунта Р(х)
- й критерий:
- • А 5(см) ~/(см),
где A S — осадка фундамента (деформация основания);/— деформация изгиба фундамента.
Таким образом, при расчете гибких фундаментов необходимо одновременно учитывать и деформации фундамента, и его осадки.
При расчете ленточных фундаментов, загруженных неравномерно сосредоточенными силами, необходимо учитывать изгиб в продольном направлении.
Вследствие изгиба фундамента конечной жесткости давление на грунт увеличивается в местах передачи фундаменту сосредоточенных сил и уменьшается в промежутках между этими силами (см. расчетную схему на рис. 2.22, б).
- й критерий:
- • h >1 / 31 — абсолютно жесткие фундаменты;
- • h 2 I
Рис. 2.23. а — схема расчета фундамента по методу прямолинейной контактной эпюры; б — пример расчета фундаментной балки на упругом основании по методу прямолинейной эпюры
Области применения данного метода расчета:
- Для предварительных расчетов.
- Когда не требуется большой точности расчетов.
- При слабых сильносжимаемых грунтах.
В качестве примера рассмотрим расчет балки, расположенной на основании при следующих исходных данных (см. схему на рис. 2.23, б):
На 10 м фундаментную балку шириной b = 1 м действуют две внешних силы N] = N2 = 80 т, приложенных на расстоянии по 3 м от концов. Необходимо определить высоту данной конструкции.
Расчеты выполняем в следующей последовательности:
1. Определяем ординаты контактного напряжения под подошвой балки в виде равномерной прямолинейной эпюры интенсивностью Р:
2. Определяем максимальный изгибающий момент в точке передачи нагрузки N (на расстоянии 3 м от конца), используя метод сечений из курса строительной механики:
Р ?1 16 3 я —- =—= 72тм
- 2 2
- Определяем минимальный изгибающий момент в середине балки:
=—-2— — Лр = 16 + З -80 • 2 = 40 тм
4. Определяем необходимую высоту балки:
Ah и h = = 0,173 I 72 = 1, 3jw
4 Vmb V, 25 1
где г — коэффициент, зависящий от % армирования; т — коэффициент условий работы.
Таким образом, метод учета прямолинейной эпюры контактных напряжений позволяет с использованием способов строительной механики достаточно просто произвести расчет и конструирование фундаментной балки.
Теория местных упругих деформаций
Данная теория получила название автора — Фусса — Винклера — и была им предложена еще в 1868 г.
Основная предпосылка этой теории — прямая пропорциональность между давлением и местной осадкой. Основание в данном случае может быть представлено в виде системы пружин, не связанных между собой (см. схему на рис. 2.24, а). В результате под загруженной балкой пружины будут испытывать сжатие, а за пределами балки — находиться в несжатом состоянии.
Гипотеза упругого полупространства (дает хорошие результаты только на плотных грунтах)
действительная картина (получается экспериментально)
Рис. 2.24. а — схема модели основания для расчета гибкой конструкции на упругом основании по методу местных упругих деформаций;
б — схема деформации основания и гибкой фундаментной балки по результатам эксперимента; в — схема деформирования основания за пределами загруженной площади (эксперимент и теории)
Тогда давление основания под загруженной балкой может быть определено из следующего выражения:
где Рх — давление на подошве фундамента; С; — коэффициент упругости основания (коэффициент постели); Zr — упругая осадка грунта в месте приложения нагрузки.
Эта модель хорошо отражает работу конструкции, если основание представлено жидкостью. Поэтому чаще всего этот метод используется при строительстве на слабых грунтах или в случае малой мощности слоя сжимаемого грунта.
В последствие было предложено несколько методов, усовершенствующих эту модель; следует отметить наиболее существенные работы авторов: Дутова, Крылова, Кузнецова, Пастернака.
Следует подчеркнуть, что модели, соответствующие гипотезе Фусса — Винклера, не в состоянии учитывать разновидность оснований (изменение Ео по глубине и в плане сооружения).
В действительности результаты непосредственных наблюдений показали, что оседает не только нагруженная поверхность, но и соседние участки грунта (см. схему на рис. 2.24, б).
Грунт деформируется в соответствии с упругим полупространством. Поэтому была выдвинута другая теория — общих упругих деформаций.
Теория общих упругих деформаций
(гипотеза упругого полупространства)
В основу этой теории положено предположение, что грунт является однородным и изотропным.
Это дало возможность применить к описанию напряженно деформируемого состояния аппарат теории упругости.
Рассмотрим осадку штампа (см. схему на рис. 2.24, в) и сопоставим действительную картину деформирования основания, полученную экспериментально, с расчетами по теории Фусса — Винклера (теория местных упругих деформаций) и упругого полупространства.
Как видно из представленного рисунка, действительная картина деформации грунта за пределами загруженной поверхности расположена между результатами расчета по гипотезе упругого полупространства и гипотезе Фусса-Винклера.
Таким образом, единого критерия расчета не существует. В каждом конкретном случае необходимо индивидуально подходить к поставленной задаче, оценивая жесткость конструкции и деформируемость основания. И только после этого следует выбирать руководствующую теорию для расчета.
Задачи, рассматриваемые на основании расчета теории балок или плит на упругом основании
В инженерной практике приходится решать различные задачи на основании расчета балок и плит на упругом основании. Рассмотрим некоторые из них.
Плоское напряженное состояние
Плоское напряженное состояние рассматривается при опирании конструкции стен. По такой схеме рассчитываются гибкие конструкции типа фундаментных балок, железобетонных поясов (см. схему на рис. 2.25, 2 ] — интенсивность давления, передающегося на основание (реактивный отпор грунта в точке X); Zx [см] — величина перемещения в точке X (зависит от жесткости балок, характера распределения нагрузки, размеров балки и деформируемости основания); Cz [кг/см 3 ] —- коэффициент постели (упругости основания).
Основные обозначения для решения задач по данному методу приведены на схеме (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Расчетная схема к решению задачи деформации балки на упругом основании по методу местных упругих деформаций
Впервые этот метод был применен при расчете шпал под железную дорогу, тогда считали, что Cz = f (грунта), но потом выяснилось, что С- = f (грунта и ширины подошвы фундамента).
Из сопромата известно дифференциальное уравнение второго порядка, описывающее изгиб балки; если продифференцировать исходное уравнение, то получим величину поперечной силы в конструкции; дифференциальное уравнение четвертого порядка в данном случае будет определять интенсивность давления под подошвой:
^ 3 Z _ 4 Z _ Рх
~aY~ Yr ~Y~ Yi ? ~aY~ Yi у
Значение Px заменяем исходной формулой:
Решая данное дифференциальное уравнение четвертого порядка, мы найдем Zv:
Z^ = • cos ах + A 2 ? sin ах) 4- e ?X ‘ , ‘(A3cosax-l-A4sinax) .
где A[, A2, Ay, Ад. — произвольные постоянные, определяемые из начальных параметров; EI — жесткость фундамента.
Вычислив Zv и используя коэффициент постели С,, находим Рх, а затем величину момента Мх и поперечных сил Qx в различных сечениях фундамента-балки:
m,=-z;ei . Q, = -Z" EI
Решение этой задачи во многих случаях приведено в табличной форме в зависимости от конструкции фундаментов (см. справочник проектировщика).
В качестве примера ниже приведена схема (рис. 2.27, I) деформации трубопровода. Протечки инженерных сетей вызывают изменение свойств основания в сторону уменьшения прочностных характеристик, что приводит к его просадкам под действием собственного веса на величину (,). При этом резко меняется напряженно-деформируемое состояние как самого трубопровода, так и других инженерных коммуникаций, попадающих в зону просадочных явлений.
Рис. 2.27.1 — схема возможного деформирования трубопровода при неравномерных осадках и расчетная схема его как балки на упругом основании; II — схема деформирования городских трубопроводов, попадающих в мульду оседания, расположенного ниже туннеля
В данном случае трубопровод можно рассматривать как бесконечно длинную конструкцию (балку) на упругом основании, свойства которого зависят от степени биологического загрязнения, изменяющегося во времени. Наиболее неблагоприятные условия работы трубопровода будут возникать вблизи с местами локальных протечек.
На представленном рисунке введены следующие обозначения:
- а) характер неравномерной деформации трубопровода;
- б) расчетная схема деформированного участка (АВ) трубопровода;
- в) эпюра изгибающих моментов в трубопроводе (СД — участок трубы с наиболее вероятным развитием разрушений).
Подобные же деформации возникают в трубопроводе, попадающем в мульду оседания, расположенного ниже туннеля (проходка метро, магистральный коллектор и т.п.) (рис. 2.27, II).
На данной схеме показано, как может развиваться деформация изгиба трубопровода в городской черте при подземной выработке. Здесь СД, Сь Д| — изгибаемые участки трубы с наиболее вероятным развитием разрушений в конструкции.
Расчет балок по методу общих упругих деформаций (гипотеза упругого полупространства)
В этом случае для изгибаемой конструкции балки определяется гибкость: где Г — гибкость балки; С — полудлина балки; h — высота балки; Е — модуль упругости материала балки; Ео — модуль общей деформации грунта.
В зависимости от гибкости рассчитываемые конструкции разделяются на три типа (см. табл. 2.2).
Типы конструкций в зависимости от гибкости
Гибкие фундаменты применяются
при малой прочности грунтов основания или при больших нагрузках на подошву. Изготовляются они из железобетона, способного работать на растяжение и скалывание (изгиб). Форму придают им трапецоидальную.
Грани в них могут быть наклонены к вертикали под любым углом, так как растягивающие и скалывающие усилия, возникающие при изгибе, воспринимаются арматурой, укладываемой в растянутой зоне. Высота железобетонной трапеции принимается по расчету. Трапецоидальная форма гибкого фундамента может быть заменена ступенчатой.
Сравнивая между собой жесткие и гибкие фундаменты, можно сделать следующие практические выводы. Жесткие фундаменты следует рекомендовать в тех случаях, когда грунты основания относительно прочные, т. е. допускают давление 2—3 кг/см2, нагрузки на подошву относительно невелики — здания высотой до 5—7 этажей, а также когда число уступов (ступеней) не превышает двух — трех. При слабых же грунтах и больших нагрузках на подошву жесткие фундаменты вследствие малого угла распространения давления в материалах, из которых они изготовляются, получаются большой ширины, глубокими, имеют большой вес и становятся экономически невыгодными. Поэтому при слабых грунтах, допускающих давление 1,2—1,5 кг 1см2, или при больших нагрузках на подошву рекомендуются гибкие фундаменты, так как они способны работать на изгиб и распределять нагрузку от веса здания на необходимую (расчетную) ширину основания. При этом их не нужно заглублять более глубины промерзания.
Вид фундаментов при разных грунтах: а — жесткий фундамент при слабых грунтах; б— гибкий фундамент при слабых грунтах; в — жесткий фундамент при прочных грунтах
Определение размеров. Основное требование проектирования — обеспечить равномерную осадку без отклонения вертикалькой оси сводится к тому, чтобы напряжения по подошве распределялись равномерно, т. е. чтобы эпюра напряжений была прямоугольной.
Учет влияния соседних фундаментов на осадку проектируемого. Определение крена фундаментов.
Крены фундаментов
Расчет крена фундаментов весьма прост и применим не только для однородного основания, но и при слоистом залегании грунтов, где искомую равномерную их осадку можно найти способом послойного суммирования деформаций.
Крены фундаментов происходят также и при взаимном их влиянии на деформацию грунтов основания. В этом случае, пользуясь методом угловых точек, определяют осадки противоположных краев фундамента и его крен вычисляют.
Взаимное влияние напряжений, возникающих в грунтах под соседними фундаментами, проявляется в различной мере, что зависит от расстояний между ними и свойств сжимаемости грунтов. В наиболее неблагоприятных условиях это влияние может оказаться весьма
Крен фундамента (или здания, сооружения в целом) следует измерять одним из следующих методов или их комбинированием: проецирования, координирования, измерения углов или направлений, фотограмметрии, механическими способами с применением кренометров, прямых и обратных отвесов.
Предельные погрешности измерения крена в зависимости от высоты Н наблюдаемого здания (сооружения) не должны превышать величин, мм, для:
гражданских зданий.…………. …………………………. 0,0001 Н
промышленных зданий и сооружений, дымовых труб, башен и др. 0,0005 Н
фундаментов под машины и агрегаты.……………………………. … 0,00001 Н
При измерении кренов фундамента здания (сооружения) методом проецирования следует применять теодолиты, снабженные накладным уровнем, или приборы вертикального проецирования.
При измерении кренов методом координирования необходимо установить не менее двух опорных знаков, образующих базис, с концов которого определяются координаты верхней и нижней точек здания (сооружения).
Фотограмметрический метод измерения горизонтальных и вертикальных перемещений и кренов следует применять для измерения осадок, сдвигов, кренов и других деформаций зданий (сооружений) при неограниченном числе наблюдаемых мерок, устанавливаемых в труднодоступных местах для измерений эксплуатируемых зданий и сооружений.
Для измерений деформаций фотограмметрически одновременно по трем координатным осям (X, Y, Z) необходимо выполнять фототеодолитную съемку с двух опорных знаков, являющихся концами базиса фотографирования, не изменяя местоположения и ориентирования фототеодолита в различных циклах наблюдений.
При проведении вышеуказанных видов работ по выявлению перемещений конструкций фундаментов и крена зданий необходимо руководствоваться указаниями ГОСТ 24846-81, СНиП 3.01.03-84 и "Руководства по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений" [IV-8].
Для измерений вертикальных перемещений фундаментов применяются нивелиры, обеспечивающие точность нивелирования III класса, типа Н-3, Н-5 и равноточные им. Используются также самоустанавливающиеся нивелиры типа КО-007.
Перед началом и после окончания работ нивелир должен быть обязательно проверен, а рейки проверены с помощью металлической измерительной линейки.
Крен фундамента i при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле
где E и v — соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта основания; в случае неоднородного основания значения Е и v принимаются средними в пределах сжимаемой толщи;
kе — коэффициент, принимаемый по табл.;
N — вертикальная составляющая равнодействующей всех нагрузок на фундамент в уровне его подошвы;
Е — эксцентриситет;
а — диаметр круглого или сторона прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент; для фундамента с подошвой в форме правильного многоугольника площадью А принимается ;
km — коэффициент, учитываемый при расчете крена фундаментов по схеме линейно деформируемого слоя при а ³ 10 м и Е ³ 10 МПа (100 кгс/см 2 ) и принимаемый по табл.
10. Коэффициент Пуассона v принимается равным для грунтов: крупнообломочных — 0,27; песков и супесей — 0,30; суглинков — 0,35; глин — 0,42.
11. Средние (в пределах сжимаемой толщи Нс или толщины слоев Н) значения модуля деформации и коэффициента Пуассона грунтов основания ( и ) определяются по формулам:
Глинистые грунты представляют собой тонкодисперсные частицы чешуйчатой формы размером менее 0,005 мм. Сухое глинистое основание может выдерживать большие нагрузки от массы зданий и сооружений. С увеличением влажности глины резко падает ее несущая способность. Влияние положительных и отрицательных температур вызывает во влажной глине усадку при высыхании и вспучивание при замерзании воды в порах глинистого грунта. Разновидностью глинистых грунтов являются супеси, суглинки и лёссы.
Супесчаные грунты представляют собой смесь песка и глинистых частиц в количестве 3. 10 %. Суглинистые грунты состоят из песка и содержат 10. 30 % глинистых частиц. Эти виды грунтов могут использоваться в качестве естественных оснований (если они не подвержены увлажнению). По своей прочности и несущей способности они уступают песчаным и сухим глинистым грунтам.
Отдельные виды супесей, подверженных регулярному воздействию грунтовых вод, становятся подвижными. Поэтому они получили название плывунов. Этот вид грунтов непригоден в качестве естественного основания.
Лёссовые грунты — то частицы пылеватых суглинков со сравнительно постоянным гранулометрическим составом. Лёссовые грунты в сухом состоянии могут служить надежным основанием. При Увлажнении и воздействии нагрузок лёссовые грунты сильно уплотняются, в результате чего образуются значительные просадки. Поэтому они называются просадочными.
Наименование грунтов, а также критерии выделения грунтов со специфическими свойствами и их характеристики приведены в СНиП «Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования».
Искусственными основаниями называют грунты, которые по механическим свойствам в своем природном состоянии не могут выдерживать нагрузки от зданий и сооружений. Поэтому для упрочнения слабых грунтов необходимо выполнять различные инженерные мероприятия. К слабым относятся грунты с органическими примесями и насыпные грунты.
Грунты с органическими примесями включают: растительный грунт, ил, торф, болотный грунт. Насыпные грунты образуются искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки. Перечисленные грунты неоднородны по своему составу, рыхлые, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью. Поэтому в качестве оснований их используют только после укрепления уплотнением, цементацией, силикатизацией, битумизацией или термическим способом.
Строй-справка.ру
Теории изгиба балок и плит на упругом основании и условия их применимости к расчету гибких фундаментов
Теории изгиба балок и плит на упругом основании и условия их применимости к расчету гибких фундаментов
Для гибких фундаментов, которые в основном воспринимают изгибающие моменты, образующиеся в результате совместной работы с основанием, предположение о линейном распределении реактивных давлений оказывается неприемлемым, потому что оно зависит от жесткости фундамента и податливости грунтового основания.
Замена реальной эпюры контактных давлений линейно распределенной приводит к существенным погрешностям при определении изгибающих моментов и поперечных сил.
К гибким фундаментам можно отнести ленточные и отдельные железобетонные фундаменты, а также сплошные железобетонные плиты и некоторые типы коробчатых фундаментов.
В зависимости от вида используемого фундамента различают плоскую задачу, когда условия работы поперечного сечения фундамента одинаковы по длине. Например, ленточный фундамент под стену в поперечном сечении имеет одинаковую форму деформации по всей длине.
В условиях пространственной задачи будут находиться ленточный фундамент под колонны, принимаемый в поперечном направлении жестким, и фундаментные плиты различной формы, работающие на изгиб в двух направлениях.
В настоящее время большое распространение при проектировании гибких фундаментов получили теории расчета балок и плит на упругом основании, которые справедливы для линейно деформируемых оснований, причем наибольшее применение получили следующие методы: 1) местных деформаций с постоянным и переменными коэффициентами постели; 2) упругого полупространства; 3) упругого слоя ограниченной толщины на несжимаемом основании; 4) упругого слоя с переменным модулем деформации основания по глубине.
Эти теории исходят из предположения о совместности деформации, фундамента и грунта, т. е. считается, что перемещение фундамента в данной точке контакта равно осадке поверхности грунта.
В методе местных упругих деформаций не учитываются осадки грунта основания за пределами площади загружения, что дает возможность представить такое основание в виде системы несвязанных между собой упругих пружин (рис. 7.1, а). Такие условия работы грунтового основания не подтверждаются экспериментальными данными, которые показывают, что в реальных условиях нагружения оседают не только нагруженная поверхность, но и соседние участки грунта (рис. 7.1, б). Это ограничивает область применения данного метода на практике.
Рис. 7.1. Схемы упругого основания
Метод местных упругих деформаций используют для слабых грунтов основания, для которых можно не учитывать осадки вне зоны приложения внешней нагрузки или в случае незначительной мощности деформируемого грунта, подстилаемого скальным основанием при полупролет рассчитываемого фундамента.
С целью расширения области применения данного метода для расчета гибких фундаментов стали учитывать переменное значение коэффициента постели по длине балки в зависимости от уровня действующего реактивного давления.
Метод упругого полупространства не имеет недостатков, присущих методу местных деформаций, так как он базируется на решениях классической теории упругости, рассматривающей однородные, упругие линейно деформируемые тела.
В соответствии с этими решениями осадки основания имеют место не только на участке под гибким фундаментом, но и за его пределами (рис. 7.1, б).
Однако и метод расчета гибких фундаментов при моделировании грунтового основания упругим полупространством не свободен от некоторых недостатков. В частности, экспериментальными исследованиями было доказано, что осадки за пределами площади загружения затухают значительно быстрее, чем это происходит согласно решению задачи деформирования упругого полупространства. Это связано с тем, что исходные предпосылки теории упругости могут быть применимы к грунтам только с. некоторыми ограничениями, допускающими некоторую идеализацию реальных свойств.
Наблюдения за деформациями оснований гибких фундаментов показали, что основные деформации уплотнения грунта происходят в пределах относительно небольшой глубины. Анализ результатов таких наблюдений показал, что поверхность грунта под возводимыми зданиями и гибкими фундаментами деформируется в соответствии с расчетной схемой линейно деформируемого слоя грунта, подстилаемого несжимаемым основанием.
Основная трудность при использовании этого метода заключается в том, что не всегда точно удается установить мощность сжимаемого слоя.
Статьи по теме:
- Фундаменты глубокого заложения
- Основания под фундаменты зданий и сооружений
- Техника безопасности при производстве бетонных работ
- Фундаменты под промышленное оборудование
- Фундаменты специальных сооружений
