Взвешивающее давление воды на подошву фундамента является важным фактором в проектировании и строительстве зданий. Это давление создается за счет веса водяного столба, который действует на основание конструкции, и может привести к изменениям в несущей способности фундамента, особенно в условиях подземных вод.
Для обеспечения устойчивости и долговечности зданий необходимо учитывать этот фактор, проводя расчеты и проектируя дренажные системы, которые будут минимизировать уровень влажности и давление на фундамент. Правильное управление водными ресурсами поможет предотвратить возможные деформации и разрушения конструкции.
Проектирования фундамента опор железнодорожного моста с расчетным пролетом 88м , страница 3
Глубина заложения фундамента зависит от глубины залегания несущего слоя грунта в основании, который должен являться надежным с точки зрения безопасного восприятия им внешних нагрузок. Если несущий слой залегает первым от поверхности, то заглубление в него фундамента определяют с учетом промерзания грунта или его размыва. В пучинистых грунтах подошву фундамента назначают на отметке ниже расчетной глубины промерзания, а при наличии размыва дна реки — не менее 2,5 м ниже отметки местного размыва.
2.1.2 Предварительное определение основных размеров фундамента
К основным размерам фундамента относятся размеры подошвы фундамента b и a), а также глубина ее заложения d, отсчитываемая от расчетного уровня поверхности грунта с учетом срезки или размыва, и высота фундамента h. Давление, которое может воспринять несущий слой грунта (расчетное сопротивление грунта несущего слоя), существенно зависит от указанных размеров фундамента, которые пока неизвестны. Исходя из правил конструирования жестких фундаментов мелкого заложения при любой глубине заложения, размеры подошвы находятся в границах:
bmin £ b £ bmax amin £ a £ amax (2.1)
bmax = b0 + 2h tg30° amax = a0 + 2h tg30° (2.3)
где b0 и a0 — размеры опоры в плоскости обреза фундамента вдоль и поперек моста,
При фиксированных размерах b и d размер a приближенно определяется по формуле: (2.6)
где и вертикальная и горизонтальная силы, кН; — момент из первого сочетания нагрузок, действующих в плоскости моста на уровне обреза фундамента, кН×м, gс = 1,2; gn = 1,4 — коэффициенты условий работы и надежности; gF = 23 кН/м 3 — расчетный удельный вес материала фундамента с грунтом на его уступах; R — расчетное сопротивление грунта несущего слоя основания, кПа, определяемое по формуле:
где R0 — условное сопротивление грунта несущего слоя основания, кПа, k1 и k2 — табличные коэффициенты, g = 9,81r — средний в пределах глубины заложения d удельный вес грунта, кН/м 3 ,r — средняя плотность грунта в пределах той же глубины, т/м 3 .
При ширине подошвы м:
Так как м при м, то увеличиваем глубину заложения фундамента. Пусть м, тогда:
Подобранные размеры фундамента: м, м.
2.1.3 Конструирование фундамента мелкого заложения
Развитие размеров массивного фундамента мелкого заложения от обреза к подошве выполняют в форме ступеней. Высоту ступеней обычно принимают одинаковой в пределах 1…2 м. Угол развития фундаментов не должен превышать 30°. Зная высоту фундамента, определяем количество ступеней и все их размеры.
Рисунок 1.1 – Фундамент мелкого заложения в трёх проекциях с подобранными размерами
2.1.4 Приведение нагрузок к подошве фундамента
Прежде чем приступать к расчетам основания и фундамента следует привести нагрузки к центру тяжести подошвы фундамента. Вертикальная сила, действующая в уровне подошвы фундамента, определяется по формуле:
где — соответственно расчетные значения веса фундамента, грунта и воды, расположенных на уступах фундамента, — взвешивающая сила давления воды на подошву фундамента.
где – соответственно объемы фундамента, грунта и воды на его уступах, — удельный вес бетона, — удельный вес грунта, — удельный вес воды, для сочетания I, для сочетания II, для сочетаний IIIи IV;
Взвешивающая сила давления воды на подошву фундамента равна:
Расчет осадок оснований с учетом веса грунта, вынутого из котлована
Актуализированная редакция СНиП 2.02.01 — 83* [9] рекомендует определять осадку оснований с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства методом послойного суммирования с учетом веса грунта, вынутого из котлована. Осадка определяется по формуле 
где Р — безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8 независимо от вида грунта; , — вертикальное нормальное напряжение от внешней нагрузки в середине i — го слоя; ht — толщина i — го слоя грунта, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента; ?, — модуль деформации i — го слоя грунта, принимаемый по ветви первичного нагружения; 1×10 5 м/сут. и глинистые грунты, у которых IL > 0,25.
Если ниже уровня грунтовых вод залегает слой грунта с коэффициентом фильтрации к 100 МПа, сжимаемую толщу принимают до кровли этого грунта. Если нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е 60 m. Здесь b — ширина подошвы фундамента. Если среднее давление под подошвой фундамента р 3 , толщина слоя — 3,5 м. Основание сложено песком средней крупности, средней плотности, малой степени водонасыщения, с характеристиками: уп = 18 кН/м 3 , Е = 30 МПа. Толщина слоя песка — 8,5 м. Ниже залегает суглинок тугопластичный с характеристиками: уц = 20 кН/м 3 , Е = 12 МПа. Подземные воды на участке строительства до глубины 10 м не встречены. Вертикальные напряжения от действия внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы, определяем по формуле 
Вертикальные напряжения от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта на глубине z от подошвы фундамента, определяем по формуле
Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента равно 
Определим средневзвешенное значение удельного веса грунта выше подошвы фундамента: 
Напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента равно 
Дальнейшие расчеты проведем в табличной форме (табл. 4.6).
Значения коэффициента aj для вычисления ац, принимаем по табл. 3.4 как для прямоугольного фундамента с соотношением сторон rj = l/b = 40/8 = 5, а значения а2 для вычисления — как для прямоугольного фундамента с соотношением сторон ц — L/B = 42/10 = 4,2. Грунтовую толщу разобьем на элементарные слои толщиной /i, = 0,2b = =0,2-8 = 1,6 м. Нижнюю границу сжимаемой толщи найдем из условия 100 МПа или Е i — модуль деформации i — го слоя грунта, принимаемый по ветви вторичного нагружения; п — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания. При отсутствии опытных определений модуля деформации Eej примем для песка Eej = 5Е1 = 5-30 = 150 МПа, для суглинка ЕеЛ = 5Е] = 512 = 60 МПа. При расчете в табличной форме удобно представить осадку, определяемую по формуле (4.23), как сумму двух значений, полученных от каждого из слагаемых, входящих в формулу где 
Здесь s — осадка фундамента; ^jpi ~ сумма осадок элементарных слоев от действия нагрузки от фундамента; ? -V — сумма осадок элементарных слоев от собственного веса грунта, выбранного при отрывке котлована.Таблица 4.6 Расчетные данные к примеру 4.4
 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| 0,0 |
Взвешивающее давление воды на подошву фундамента
Расчёт на устойчивость положения фундамента
Расчёт на устойчивость фундамента обычно производят для устоев мостов и в случаях, когда равнодействующая сил по подошве фундамента выходит за пределы ядра сечения. В курсовой работе с методологической целью выполняется расчёт на опрокидывание и на сдвиг по подошве. Расчёт на устойчивость против опрокидывания производится по формуле:
где M2 — предельный удерживающий момент, определяемый по формуле:
где 0,9 — коэффициент перегрузки, уменьшающий воздействие сопротивляющихся опрокидыванию сил; ус — коэффициент условий работы, для фундаментов на нескальных основаниях принимаем с = 0,8; п — 1 — коэффициент надёжности по назначению сооружения. Производим расчёты:
Ми / M2 =7,392 / 22,51 = 0,328 < 0,8 —
Устойчивость фундамента на опрокидывание обеспечена.
Расчёт на устойчивость против сдвига производится по формуле:
Q -расчётная сдвигающая сила:
где Q — предельная удерживающая сила; м — коэффициент трения, принимаем равным — 0,25; с -коэффициент условий работы, с = 0,9; n-1 — коэффициент надёжности по назначению сооружения.
Производим расчёты: Q = 1,1* 0,48 = 0,528
Qz= 0,25* 14,07 = 3,518
0,528 / 3,518 = 0,15 < 0,9
Устойчивость фундамента на сдвиг обеспечена
Расчёт осадки фундамента при наличии водотока
Метод послойного суммирования рекомендуется для расчёта осадок фундаментов. Величина осадки фундамента определяется по формуле:
где — безразмерный коэффициент, равный 0,8; — среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i-M слое грунта; hi и Ei — соответственно толщина и модуль деформации i- го слоя грунта; п — число слоев, на которые разбита, сжимаемая толща основания.
1. Сжимаемую толщу грунта, расположенную ниже подошвы фундамента, разбиваем на элементарные слои толщиной hi , где b — ширина подошвы фундамента. Границы элементарных слоев должны совпадать с границами слоев грунта и уровнем подземных вод. Глубина разбивки должна быть примерно равна 3*b.
2. Определяем значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента и на границе каждого подслоя.
Где — вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента,
удельный вес грунта i-го слоя; hi -толщина i-го слоя грунта; ‘- среднее значение удельного веса грунта выше подошвы фундамента.
Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод или ниже воды в реке, но выше водоупора, следует определять с учётом взвешивающего действия воды. В водоупоре напряжение от собственного веса грунта в любом горизонтальном сечении определяют без учёта взвешивающего действия воды.
Водоупором принимают слой суглинка или глины с I1 0.25.
По результатам расчёта строим эпюру вертикальных напряжений от собственного веса грунта
3. Определяем дополнительное (к природному) вертикальное напряжение в грунте под подошвой фундамента по формуле:
Среднее давление на грунт от нормативных постоянных нагрузок:
Значения ординат эпюры распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте вычисляются по формуле:
где — коэффициент, принимаемый по таблице в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, равной
Вычисления и для любых горизонтальных сечений ведутся в табличной форме. По полученным данным сгщ и a zp строятся эпюры.
4. Определяем нижнюю границу сжимаемой толщи (В. С.). Она находится на горизонтальной плоскости, где соблюдается условие:
5. Определяем осадку каждого слоя основания по формуле:
где = 0.8 — безразмерный коэффициент для всех видов грунтов; — — среднее дополнительное вертикальное напряжение в i — м слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней и нижней границах слоя, толщиной hi.
Осадка основания фундамента получается суммированием величины осадки каждого слоя в пределах HC- Она не должна превышать предельно допустимой осадки сооружения данного типа, определяемой по формуле:
где Su — предельно допустимая осадка, см; lр — длина меньшего примыкающего к опоре пролёта, м.
Затем следует выполнить проверку условия:
Выполним расчёты:
Нормативная вертикальная нагрузка от собственного веса опоры по обрезу фундамента Ро = 4,3 МН ; расчетный пролет для примыкающих к опоре пролетных строений Lp = 33 м; нормативная вертикальная нагрузка на опору от пролетных строений Рп = 1 МН ; глубина водотока 2 м; возможноя глубина размыва грунта — 0,5 м.
