Какова оптимальная глубина заложения фундамента подвала

Приведенная глубина заложения фундамента со стороны подвала играет важную роль в обеспечении устойчивости и долговечности здания. Она должна быть достаточной для защиты от замерзания, а также для предотвращения поступления грунтовых вод в подвал, что может привести к затоплению и повреждению конструкции.

Оптимальный уровень заложения зависит от типа грунта, климатических условий и особенностей проектируемого объекта. Важно учесть требования строительных норм и правил, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию подземной части здания и комфортные условия в подвале.

Приведенная глубина заложения фундамента со стороны подвала

Принимая b=0,7 м, считаем А, W, Pmax, Pmin, и проверяем условия.

Все необходимые условия выполняются.

Вычисление вероятной осадки ленточного фундамента

Расчет осадки фундамента производится по формуле:

где S — конечная осадка отдельного фундамента, определяемая расчетом;

Su — предельная величина деформации основания фундамента зданий и сооружений, принимаемая по СНБ 5.01.01-99 равной 8 см.

Основным методом определения полной осадки фундамента является метод послойного суммирования. Расчет начинается с построения эпюр природного и дополнительного давлений. На геологический разрез наносятся контуры сечения фундамента, затем от оси фундамента влево откладываются ординаты эпюр природного давления zg в кПа, определяемого по формуле:

где i — удельный вес грунта i-го слоя, кН/м 3 ;

hi — толщина грунта i-го слоя, м.

Вправо от оси фундамента откладывается эпюра природного давления, но уменьшенная в 5 раз.

Для построения эпюры дополнительного давления zp толщина грунта ниже подошвы фундамента в пределах глубины, приблизительно равной трехкратной ширине фундамента, разбивается на ряд слоев мощностью не более 0,4b (обычно 0,2b). Дополнительное вертикальное давление P0 непосредственно под подошвой фундамента определяется как разность между средним давлением по оси фундамента и вертикальным напряжением от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента:

Дополнительное вертикальное напряжение zp для любого сечения, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:

где — коэффициент, принимаемый по таблица 3.1 СНБ 5.01.01-99 в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента =l/b больше 10 и относительной глубины =z/b.

Построив в произвольном, но одинаковом масштабе эпюры бытового и дополнительного напряжений, определяют нижнюю границу сжимаемой толщи основания, находящуюся в точке 0, где zp =0,2zg. При модуле деформации Еzg. Расчет осадки отдельного фундамента на основании в виде упругого линейно деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой зоны производится по формуле:

где Si — i-ая осадка отдельного слоя, см;

hi — толщина i-го слоя грунта основания, см;

Еi — модуль деформации грунта i-го слоя, кПа;

— безразмерный коэффициент, равный 0,8;

zpi — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-том слое грунта, равное полусумме напряжений на верхней и нижней границах слоя, кПа.

Расчет осадки фундаментов удобно выполнять в табличной форме (см. далее).

Расчет выполнен от планировочной отметки земли

Определение расчетного сопротивления грунта основания по прочностным характеристикам грунта основания

Расчетное сопротивление грунта рабочего слоя основания R:

коэффициент условий работы для песка средней крупности

коэффициент условий работы для здания с гибкой конструктивной схемой

k — коэффициент, принимаемый k = 1,00, так как прочностные

характеристики грунта (j и с) определены непосредственными

угол внутреннего трения φII=30 0 для песка средней крупности;

Mγ=1,15; Mq=5,59; Мс=7,95.

kz — коэффициент, принимаемый равным при b kz = 1.

сII — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего

непосредственно под подошвой фундамента, для песка средней крупности не определен, а нормативное значение сII=2,00 … 1,00 кПа

(для φII=38 0 …35 0 соответственно, но φII=30 0 ), поэтому пренебрегаю ввиду малости значения и принимаю сII=0,00 кПа.

γ’II — осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунтов,

залегающих выше отметки заложения подошвы фундамента:

d1 — приведенная глубина заложения наружных фундаментов со стороны подвала:

γcf — расчетное значение удельного веса материала конструкции пола

подвала γcf =22,00 кН/м 3 .

b – сторона подошвы фундамента, м.

db — глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B £20 м и глубиной свыше 2,00 м принимается db = 2,00 м, при ширине подвала B >20 м — db = 0),

+(5,59-1)*2,00* 19,64+7,95*0,00)=522,13 кПа.

Рисунок 3.2.1 – Графическое определение площади подошвы отдельного фундамента под колонну наружной стены.

Точка пересечения двух графиков R=f(Аф) и PII=f(Аф) определяет требуемое значение площади подошвы отдельного фундамента под наружную колонну.

Ат=3,70 м 2 и b=(Ат) 0,5 =(3,70) 0,5 =1,92 м.

Рис 1. Фундамент под наружную стену

В соответствии с таблицей 2.1 пособия [2] принимаю железобетонный сборный фундамент марки 2Ф21.9-3 с площадью А=2,1*2,1=4,41 м 2 .

Определяю значение R при ширине фундамента b=2,10 м.

+(5,59-1)*2,00* 19,64+7,95*0,00)=492,86 кПа.

Проверка фактического среднего давления PII под подошвой фундамента 2Ф21.9-3 и конструирование фундамента наружной стены.

PII=(NII+Qf+Qk+Qp+Qп+G1+G2+G3)/А ≤ R, где

Qf – вес фундамента, Qf=53 кН;

Qk – вес колонны с учетом ее заделки в фундамент на 0,60 м,

Qk=0,40 2 *24*(2,70+0,20+0,60-0,22)=12,59 кН;

Qp – вес ригеля, Qр=0,40 2 *5,60*24=21,50 кН;

Qп – вес ограждающей панели подвала при шаге колонн 6,00 м,

G1 – пригрузка фундамента грунтом ниже пола подвала,

G1=(V0-Vф)*γ =(2,10 2 *0,90-53/24)*20,50=36,09 кН;

G2 – пригрузка фундамента грунтом с внешней стороны панели подвала (рассчитываю по осредненному по слоям значению удельного веса грунтов, залегающих выше отметки заложения подошвы фундамента γ’II),

G3 – пригрузка от пола подвала, G3=(2,10*1,25-0,40 2 )*0,20*22=10,85 кПа.

PII=(1473,00+53,00+12,59+21,50+79,56+36,09+44,17+10,85)/4,41=392,46 кПа, что меньше R=492,86 кПа.

Разница значений R и PII для фундамента 2Ф21.9-3 составляет 25%, но

замена 2Ф21.9-3 на 2Ф18.9-3 приведет к нарушению условия PII ≤ R, так как

PII =522 кН >R=483 кПа (расчет не приводится).

Окончательно под колонны 2Б принимаю 2Ф21.9-3.

Определение размеров площади подошвы фундамента

Ориентировочные размеры квадратного фундамента под одну колонну исходя из табличного значения расчетного сопротивления несущего слоя грунтового основания – суглинка R0=197,4 кПа.

Сторона квадратного фундамента b:

γср – средний удельный вес материала фундамента и грунта на его обрезах,

d – глубина заложения фундамента. Для фундамента, находящегося внутри подвала d=d1;

d1 — приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов со стороны подвала:

Сторона квадратного фундамента b:

b=(950/(400 – 1,12*20)) 0,5 =2,4 м.

3.4 Графический метод определения размеров подошвы фундамента

Предварительные размеры подошвы общего фундамента определяю графическим методом.

Задаюсь четырьмя значениями площади подошвы общего фундамента А:

А1=4,00 м 2 , А2=10,00 м 2 , А3=15,00 м 2 , А4=20,00 м 2 .

Расчетная нагрузка на колонну в уровне низа перекрытия над подвалом

Среднее давление pII под подошвой фундамента при принятом размере площади A:

NФII,i – расчетная нагрузка от веса фундамента и грунта на его обрезах,

определяемая по приближенной формуле:

γср – средний удельный вес материала фундамента и грунта на его обрезах,

Расчетное сопротивление грунта рабочего слоя основания R в зависимости от ширины подошвы фундамента:

коэффициент условий работы для песка средней крупности

коэффициент условий работы для здания с гибкой конструктивной схемой

k — коэффициент, принимаемый k = 1,00, так как прочностные

характеристики грунта (j и с) определены непосредственными

угол внутреннего трения φII=30 0 для песка средней крупности;

Mγ=1,15; Mq=5,59; Мс=7,95.

kz — коэффициент, принимаемый равным при b kz = 1.

сII — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего

непосредственно под подошвой фундамента, для песка средней крупности сII=0,00 кПа.

γ’II — осредненное по слоям расчетное значение удельного веса грунтов,

залегающих выше отметки заложения подошвы фундамента:

d1 — приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов со стороны подвала d1==1,62 м.

db — глубина подвала — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B £20 м и глубиной свыше 2,00 м принимается db = 2,00 м, при ширине подвала B >20 м — db = 0),

b – сторона подошвы фундамента, м. Рассматриваю два значения b:

b=0,00 м и b=4,47 м.

+(5,59-1)*2,00* 19,72+7,95*0,00)=571,66 кПа.

Рисунок 3.2.2 – Графическое определение площади подошвы фундамента Точка пересечения двух графиков R=f(Аф) и PII=f(Аф) определяеттребуемое значение площади общего фундамента.

Ат=6,50 м 2 и b=(Ат) 0,5 =(6,50) 0,5 =2,55 м.

Рис 2 Схема фундамента под внутреннюю колонну

Определение размеров в плане общего фундамента и давления под его подошвой.

Расстояние х от оси колонны до длинной стороны плиты Lпл и до короткой стороны плиты Впл должно быть одинаковым.

Рис 3 Схема расположения фундамента мелкого заложения

х=-0,25*l+((0,25*l) 2 +0,25*A) 0,5 =-0,25*2,00+((0,25*2,00) 2 +0,25*6,50) 0,5 =0,86 м

Принимаю х=1,00 м.

А=Впл *Lпл=2,00*4,00=8,00 м.

Определяю значение R при ширине общего фундамента равной 2,00 м:

Объем фундамента Vф=2,00*4,00*0,50+2*(1,20*1,20*0,90)=6,59 м 3 .

Удельный вес конструктивных элементов фундамента принимается равным 24 кН/м 3 .

Вес фундамента Qф=6,59*24,00=158,16 кН.

Объем грунта на фундаментной плите Vгр=(2,00*4,00-2*1,20 2 )*0,90=4,61 м 3 .

Средний удельный вес грунта обратной засыпки на фундаментной плите

Тогда пригрузка от веса грунта на фундаментной плите:

Вес пола подвала (8,00-2*0,40 2 )*0,20*22=33,79 кН.

Собственный вес двух колонн

Qк2=0,40 2 *24*(2,70+0,20+0,60-0,22)*2=25,19 кН.

PII=(2790,00+158,16+90,91+33,79+25,19)/8,00=387,26 кПа, что меньше R=491,33 кПа.

Разница значений R и PII для фундамента составляет 27%.

Окончательно принимаю монолитный железобетонный фундамент с размерами 2,00х2,00х0,50 м с двумя подколонниками 2Ф12.9-2.

Расчёт осадки фундамента

Фундамент мелкого заложения колонны наружной стены имеет габариты:

— глубину заложения d=3,00 м.

Среднее давление под подошвой фундамента PII=400 кПа, что меньше R=492,86 кПа.

Деформационные свойства грунтов определены лабораторными

компрессионными испытаниями (второй и третий слой) и полевыми

штамповыми (четвертый и пятый слой). Результаты испытаний приведены в таблицах 5.1 и 5.2.

Фундамент под наружной колонной не является центрально нагруженным. Расчет осадки ведется для центральной оси фундамента и за интенсивность нагрузки на грунт под подошвой фундамента принимается средняя ордината трапецеидальной эпюры внецентренно нагруженного фундамента, что в расчетном отношении позволяет считать его центрально нагруженным.

Вычисление ординат эпюры природного давления σzg,i:

При планировке срезкой эпюра природного давленияна планировочной отметке DL принимается равной нулю.

На границе 1 и 2 слоев

На границе 2 и 3 слоев

На отметке подошвы фундамента

На границе 3 и 4 слоев

На границе 4 и 5 слоев

С учетом давления толщи воды высотой hw=8,15м над суглинком тугопластичным, являющимся водоупором

В пятом слое на глубине 0,43 м от границы 4между 4 и 5 слоями:

Вычитание ординат вспомогательной эпюры 0,2*σzg,i:

Вычисление ординат эпюры дополнительного давления σzp,i:

Соотношение сторон фундамента η=l/b=1,00.

2 слой – супесь твердая (глубина отбора 2,50 м)

Выполняю поверочный расчет для значений:

m0,2=(0,448-0,451)/(200 — 100)=0,000030кПа -1 .

Относительный коэффициент сжимаемости

Модуль деформации при β=0,74 для супеси:

3 слой – (глубина отбора 3.50 м)

m0,3=(е1-е2)/(σzполн — σzg)=(0,527-0,524)/(263,77-50,01)=0,000041кПа -1 .

Относительный коэффициент сжимаемости

Модуль деформации при β=0,74 для песков:

4 слой – песок крупный, плотный, насыщенный водой (глубина 4,50 м)

σzg=(63,52+180,14)*0,50=121,83 кПа. S1=0,65мм.

σzполн=σzg+(86,49+20,64)*0,50=175,40 кПа. S2=0,90мм.

Δσz=175,40-121,83=53,57 кПа. ΔS=0,90-0,65=0,25 мм.

Модуль деформациипри коэффициенте Пуассона для песка ν=0,25:

ЕIV=ω*(1-ν 2 )*d* Δσz/ΔS=0,79*(1-0,25 2 )*27,7*53,57/0,025=43960 кПа=

5 слой – суглинок тугопластичный (глубина 12,00 м)

σzg=184,83 кПа. S1=1,50мм.

σzполн=σzg+(20,64+18,15)*0,50=204,23 кПа. S2=1,65мм.

Δσz=204,23-184,83=19,40 кПа. ΔS=1,65-1,50=0,15 мм.

Модуль деформации при коэффициенте Пуассона для суглинка тугопластичногоν=0,22:

ЕV=ω*(1-ν 2 )*d* Δσz/ΔS=0,79*(1-0,22 2 )*27,7*19,40/0,015=26932 кПа=

Вычисление осадки в пределах сжимаемой толщиНс=5,87 м.

3 слой (6 элементарных слоев и 1 неполный слой):

S3=0,0156 м=1,56 см.

4 слой (6 элементарных слоев и 2 неполных слоя):

S4=0,0025 м=0,25 см.

Суммарная осадка S=S3+S4=1,56+0,25=1,81см, что меньше максимальной величины осадки Su=8,00 см для гражданского здания с полным железобетонным каркасом.

Условие расчета по второму предельному состоянию для фундамента наружной колонны (ось А) S

Окончательно принимаю под наружные колонны (ось А и Г) отдельные фундаменты 2Ф21.3-9:

— глубина заложения d=3,00 м.

Выбор глубины заложения фундамента

д) глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов.

Минимальную глубину заложения фундаментов во всех грунтах, кро­ме скальных, рекомендуется принимать не менее 0,5 м, считая от поверх­ности наружной планировки или 0,4 м от пола подвала.

Будем осуществлять проектирование фундамента для сечения 4-4 (рис. 3.1), которое представляет собой ленточный фундамент под наружные кирпичные стены.

Рисунок 3.1. Расчетная схема определения глубины заложения фундамента в сечении 4-4.

Расчёт данного сечения будем осуществлять на расстоянии 14м от скважины № 1, так как она является ближайшей к сечению. Для упрощения вычисления вычертим расчетную схему (рис. 3.1).

По схематической карте рис. В1 [1] определяем нормативное значение сезонного промерзания грунтов для заданного по условию города. В г. Рига – .

Необходимо осуществить переход глубины промерзания грунтов к супесям от суглинков:

(3.1)

где d0 = 0.28 м – глубина промерзания при для супесей и песков мелких и пылеватых (см. п.3.1, [2]).

Затем определяем расчётную глубину промерзания по формуле:

(3.2)

где kh=1 – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, определяемый по табл. В1 [1]; для неотапливаемых зданий принимается равным 1,1 (см. п.3.1, [2]).

Так как фундамент рекомендуется заглублять в несущий слой не менее чем на 20 см, а таковым является 3 слой грунта – супесь, то принимаем глубину заложения фундамента от пола подвала равной 1,15м.

В результате общей оценки приведённых выше условий и, исходя из принятой глубины заложения фундамента 1,15м от пола подвала и высоты конструкции пола подвала, равной 0,1 м, определяем глубину заложения как:

где — глубина подвала.

Учитывая, что отметка пола подвала -2,700, а планировочная отметка DL -0,150, то глубина подвала равна:

По формуле 3.3 глубина заложения фундамента равна:

3.2. Определение размеров ленточного фундамента в плане

Предварительное определение размеров фундамента в плане производится с учетом расчетного сопротивления грунта основания R0. Площадь подошвы фундамента любой формы в плане при центральной из нагрузке определяется по формуле:

где — расчетная нагрузка (для расчета оснований по деформациям) в уровне поверхности земли, кН;

γ=20…22 кН/м3 — среднее значение удельного веса материала фундамента и грун­та на его уступах;

— глубина заложения фундамента.

Расчетное сопротивление грунта определяется по формуле:

где: b – ширина подошвы фундамента;

– коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. В2 [1], из которой: .

K – коэффициент, принимаемый равным 1,0, так как прочностные характеристики определены непосредственными испытаниями;

Mg, Mq, Mc – коэффициенты, принимаемые в зависимости от угла внутреннего трения по табл. В3 [1]: , ,

Kz – коэффициент, принимаемый равным 1.0 (b < 10 м);

– осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента на 0,5b.

– осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундаментов.

СII = 25,13 кПа – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже подошвы фундамента (табл. 1.1);

d1– глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

где: hs– толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала;

gcf= 20 кН/м 3 – расчетное значение удельного веса материала пола подвала;

hcf= 0,1 м – толщина конструкции пола подвала;

db– глубина подвала – расстояние от уровня планировки до пола подвала.

Определение размеров ленточного фундамента:

Нагрузки: =294,3 кН/м.

Площадь подошвы фундамента определяем по формуле 3.4:

Фундамент ленточный, тогда .

Определяем — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента на 0,5b, что для нашего случая равно 0,4м. Следовательно:

=20,2 кН/м 3 .

Определяем — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундаментов, равное: кН/м 3

Определяем d1– приведенную глубину заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала по формуле 3.6, где hs= 1,15 м – толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала; gcf= 22 кН/м 3 – расчетное значение удельного веса материала пола подвала; hcf= 0,1 м – толщина конструкции пола подвала:

Принимаем db=2м, так как в нашем случае ширина подвала меньше 20 м и глубина более 2м.

Таким образом, получаем расчетное значение сопротивления грунта по формуле 3.5:

кПа

Для ширины фундамента b= 0,8м среднее давление по подошве определим по формуле:

При расчёте центрально нагруженных фундаментов должно выполняться условие: расхождение не должно превышать 5%.

445,88 < 458,57 и .