Относительная разница осадок фундаментов является важным параметром при проектировании зданий и сооружений. Она выражает соотношение между осадками различных участков фундамента и помогает оценить равномерность распределения нагрузок на грунт, предотвращая деформации и трещины в строительных конструкциях.
Учет относительной разницы осадок позволяет инженерам более точно прогнозировать поведение фундамента в процессе эксплуатации и корректировать проектные решения. Таким образом, контроль за этой величиной способствует увеличению долговечности и безопасности зданий.
Расчеты деформаций грунтов
Пожалуй, одной из самых распространенных задач в практике проектирования является задача по определению деформаций оснований. Деформации оснований фундаментов возникают, даже если обеспечена прочность грунта, т.е. деформация фундамента является неотъемлемым явлением при строительстве зданий и сооружений.
Как правило, деформации основания фундамента имеют неравномерный характер, как во времени, так и в пространстве, что осложняет процесс изучения природы этого явления.
Неравномерная деформация фундаментов может затруднить нормальную эксплуатацию объекта и даже, привести к аварийным ситуациям.
В соответствии с действующими нормами и правилами в строительстве целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность.
Расчеты деформации грунтов
Оценка и расчет деформаций грунтов, в общей системе «сооружение-основание», является одной из самых сложных инженерных задач, т.к. на это явление влияет множество факторов:
- Интенсивность и скорость приложения нагрузок и воздействий;
- Напряженно-деформируемое состояние массива грунтов;
- Технология производства строительных работ;
- Жесткость возводимого сооружения;
- Плотность застройки и окружающая среда строительства;
- Инженерно-геологические и гидрогеологические условия;
- Характер эксплуатации здания или сооружения;
- И прочее.
Совокупность этих факторов значительно усложняет задачу по расчету деформаций фундаментов зданий и сооружений, поэтому в процессе инженерного проектирования приходиться прибегать к ряду упрощающих предпосылок.
Так известно, что деформация грунтов под нагрузкой имеет нелинейный характер s=f(p). Но в некотором диапазоне нагрузок эта зависимость близка к линейной, при этом развитие осадок во времени несет затухающий характер. В практике проектирования такой предел “линейной” работы грунтов определяется расчетным сопротивлением грунта R. Это дает возможность применять математический аппарат теории линейного деформирования грунтов при P≤R.
При этом процесс строительства рассматривается как одноразовое нагружение, вызывающее их общее деформирование без разделения на восстанавливающуюся и пластическую составляющие деформации грунтов.
Разделение деформации грунтов на стабилизированную и нестабилизированную является другой важной предпосылкой. Как правило, при проведении расчетов, проектировщика интересует конечная величина деформации основания, а время в течении которого происходит эта деформация является не существенным фактором. Это предположение в постановке задачи приводит к значительному упрощению инженерных расчетов.
Хотя, при этом, на практике, часто приходиться учитывать и скорость развития деформаций. Тогда выполняются прогнозы развития осадок фундаментов во времени и выполняется анализ неравномерности деформации фундаментов зданий и сооружений для наиболее опасных этапов строительства и эксплуатации. В некоторых случаях приходиться выполнять расчет осадок фундаментов при среднем давлении под подошвой фундамента P, больше расчетного сопротивления R, (P>R), в этом случае необходимо прибегать к методам нелинейной механики грунтов.
Действующий свод правил в строительстве СП 22.13330.2011, регламентирует расчет осадки основания фундамента с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства, методом послойного суммирования.
Этот расчет можно выполнить на нашем сайте в режиме онлайн — расчет осадки основания фундамента.
Виды деформации грунтов
Деформации и перемещения основания (далее — деформации основания) подразделяются на:
- Осадки происходящие в результате уплотнения грунта под внешними нагрузками, без коренного изменения структуры грунта;
- Просадки происходящие в результате уплотнения и коренного изменения структуры грунта, с воздействием внешних факторов, такими как замачивание, оттаивание и пр.;
- Подъемы и осадки происходящие при изменении объема грунта, при изменении влажности, промерзании или оттаивании, при воздействии химических веществ.
- Оседания происходящие при разработке скальных массивов, при изменении гидрогеологических условий района и пр.;
- Горизонтальные перемещения связаны с действием горизонтальных нагрузок.
Для выявления и оценки совместной деформация сооружения и основания различают:
- Абсолютные осадки которые характеризуются осадкой какой-либо точки фундамента;
- Средние осадки – средняя осадка абсолютных их значений;
- Относительные осадки рассчитываются при определении абсолютных значениях и дальнейшем их анализе – относительная разность осадок двух фундаментов, крен и пр.;
- Крен это разность осадок двух или более точек отнесенных к расстоянию между ними;
- Кривизна изгибаемого участка (прогиб или выгиб);
- Относительный угол закручивания;
- Горизонтальные перемещения.
По причине возникновения деформации разделяют на два вида:
- Деформации от внешней нагрузки или воздействия (осадки, просадки или горизонтальные перемещения);
- Деформации не связанные с внешними нагрузками и воздействиями (оседания, провалы и пр.)
Определение величин неравномерных осадок здания
Для определения величины неравномерной осадки здания необходимо знать: разность S осадок фундаментов для каркасных или прогиб (перегиб) несущих стен для бескаркасных зданий.
Все работы, связанные с определением неравномерной осадки здания, выполняются инженером-геодезистом с помощью геодезического нивелирования III класса точности.
Работы проводят в соответствии с «Инструкцией по нивелированию I, II, III и IV классов» с учетом следующих особенностей:
- нивелирование выполняется короткими лучами при расстояниях от нивелира до рейки 4—30 м. При приемке здания нивелирование ведется не по маркам, а по выбранной на здании горизонтальной линии — цоколю, карнизу или плоскости оконных переплетов;
- точки выбранного элемента нивелируют через 3—6 м, и отметки относительно наивысшей точки наносятся на схему. Первоначальная горизонтальность выбранной конструктивной части здания не оказывает влияния на результаты, так как многочисленные измерения показали, что величины начального наклона или неровности конструктивной части и опасные для здания перемещения имеют разный порядок;
Рис. 4.1. Схема определения прогиба фундамента: а — симметричного; б — несимметричного; 1 — линия нулевой отметки; 2 — линия прогиба фундамента
- места установки рейки отмечают краской на фасаде здания и наносят на схематический план здания. Одна из точек нивелирования должна быть привязана к существующему реперу для возможности проведения повторного нивелирования.
Абсолютный прогиб (рис. 4.1) определяется следующим образом: а) для симметричного прогиба
где S0, Sа Sb — отметки точек 0, А, В относительно наивысшей точки (нулевой);
б) для несимметричного прогиба
где — расстояния до точки максимального прогиба.
Относительный прогиб (перегиб) определяется по формуле
где L — длина изогнувшейся части стены.
Отрицательное значение соответствует перегибу стены. Оценка результатов измерений производится в соответствии с требованиями (прилож. 1, п. 8). Предельные величины деформаций основания приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. Предельные деформации основания
Предельные деформации основания
Средняя su (в скобках максимальная) осадка, см
1. Производственные и гражданские одноэтажные и многоэтажные здания с полным каркасом:
2. Здания и сооружения, в конструкциях которых не возникают усилия от неравномерных осадок
3. Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из:
крупных блоков или кирпичной кладки без армирования
Полученные в результате обработки материалов нивелирования максимальный относительный прогиб или максимальная разность осадок (для каркасных зданий) сравниваются с приведенными выше предельно допустимыми деформациями. Вопрос о наличии и развитии неравномерных осадок должен решаться в каждом конкретном случае исходя из грунтовых условий, глубины заложения фундаментов и наличия внешних неблагоприятных воздействий.
В случае установления тенденции к неравномерным осадкам здания необходимо позаботиться о закреплении опорных точек для повторного нивелирования с помощью установки осадочных марок.
Для марок, установленных на концах осей сооружений, вычисляется относительный крен:
где SA и SB — осадки крайних марок по оси сооружений, мм; L — расстояние между марками, мм.
Рис. 4.2. Схема измерений крена зданий:
аа’— положение марки в первом и втором циклах измерения; В — условно неподвижная цель; а, о — отсчеты по линейке в первом и втором циклах измерений; а — а’ — q — величина крена в делениях линейки; Н — высота сооружения
Относительный крен вычисляют для продольной оси здания, а также для поперечных сечений у торцов и в средней части, причем обязательно указывают направление крена (север, восток, юг, запад).
Метод проецирования при измерении крена сооружения. Измерения выполняют следующим образом. Теодолит центрируют над опорным знаком и с помощью накладного уровня приводят ось вращения трубы в горизонтальное положение; вверху здания или сооружения выбирают точку (А) для наблюдения или устанавливают марку. В цокольной части намечают условно неподвижную точку (В), на которую наводят биссектор теодолита, и делают отсчет по линейке, верхнюю точку проектируют вниз и также отсчитывают по линейке.
Рис. 4.3. Схема установки осадочных марок: а, б, в — стеновые марки; г — цокольная марка
Разность отсчетов а — а в двух циклах, отнесенная к высоте сооружения, позволит определить величину крена (рис. 4.2).
На рис. 4.3 приведены некоторые конструкции осадочных марок, которые могут быть установлены в цокольной части стены. В соответствии с «Указаниями по наблюдению за осадками фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений» марки следует размещать по контуру здания через 10—12 м. Их необходимо устанавливать на углах здания, в местах примыкания продольных и поперечных стен, с обеих сторон осадочного шва.
При установке марок следует учесть результаты нивелирования, проведенного при приемке здания, заложив их в местах наибольшей ожидаемой осадки, прогиба, крена фундаментов.
Расчёт относительной неравномерности осадок фундаментов
— предельное значение, установленное СНиП (табл. прил. 4 СНиП 2.02.01-83*). Заметим, что на величину влияет жесткость сооружения, уменьшая неравномерность осадки. Однако, жесткость сооружения в расчёте осадок не учитывается, что идёт в запас расчёта.
Расчёт крена фундамента
Крен фундамента может быть вызван действием момента, а также может появиться и при центральном приложении нагрузки, если в основании находятся грунты различной сжимаемости в плане сооружения.
Крен фундамента на однородном основании при совместном действии N, M определяется по формуле:
(ф-ла 10, прил.2 СНиП 2.02.01-83)
где N · e = M – момент по подошве фундамента;
E и ν – соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта основания (принимаются как средние по глубине сжимаемой толщи — HC, п. 10, стр. 11 СНиП);
N – вертикальная составляющая всех нагрузок на уровне подошвы фундамента;
e – эксцентриситет;
кm — коэффициент, учитываемый при расчете крена фундаментов шириной b>10 м (в вариантах курсовой работы кm=1);
кe – коэффициент, принимаемый по табл. 5 СНиП и зависящий от формы фундамента и соотношения сжимаемой толщи HC и ширины фундамента b;
а – сторона фундамента, в направлении которой действует момент, а=b или а=l, или диаметр круглого фундамента а=d.
Для кольцевого фундамента:
r H – наружный радиус кольца;
— коэффициент, зависящий от n = ;
Крен за счет неоднородности деформаций основания в плане сооружения рассчитывается по осадкам краевых точек фундамента по зависимости: .
Расчетное значение крена i сравнивают с предельно допустимым iu, назначенным в задании на проектирование или регламентированным СНиПом (приложение 4).
Пример предельных значений крена iu:
1. Для жестких сооружений H ≤ 100 м — iu = 0.004;
2. Для реакторов АЭС — iu = 0.001.
В зданиях с креном даже при i = 0.01 люди уже ощущают этот уклон. Следует заметить, что предельные значения SU, (∆S/L)u, iu – назначаются, но не должны превышать рекомендованные СНиПом.
Предельные значения осадок, кренов, неравномерностей осадок обусловлены следующим:
1. Прочностью, устойчивостью, трещиностойкостью конструкции здания или сооружения, обеспечивая долговечную безаварийную их эксплуатацию.
2. Требованиями технологических, эксплуатационных и архитектурных свойств.
Например, фундамент турбогенератора, даже при толщине плиты h=1 м и L=50 м, конструкция все равно будет гибкой, испытывая прогиб или выгиб. Поэтому предельные деформации назначаются по условию безаварийной работы агрегата, что может быть жестче, чем требования СНиП.
В случае, когда S > Su или ∆S/L > (∆S/L)u или i > iu, необходимо скорректировать размеры фундамента (увеличить b,l или d) и при необходимости применить следующие мероприятия по уменьшению деформации основания:
1. Замена грунта, в частности, применение песчано-грунтовых подушек;
2. Уплотнение грунта;
3. Закрепление грунта;
4. Устройство песчаных свай.
После этого провести расчет фундамента заново, начиная с п.1.
Согласно принципу расчета оснований по предельным состояниям, расчет по первому предельному состоянию (устойчивости оснований) проводится в том случае, если:
1. Имеются значительные постоянно действующие горизонтальные силы (опоры мостов, подпорные стены, стены шлюзов и т.д.).
2. Сооружение или отдельный фундамент находится вблизи откоса.
3. В основании имеются прослойки слабого грунта.
4. Основание представлено скальными грунтами.
5. При нестабилизированном состоянии грунтов основания (коэффициент консолидации cV
6. При действии вертикальной нагрузки, если p> 1,2 R.
Таким образом, на следующем этапе проектирования, если это необходимо, проводится расчет устойчивости отдельных фундаментов или всего сооружения.
Такие расчеты носят проверочный характер, т.к. чаще всего, когда в осадках фундаментов уже достигнуто предельное состояние, несущая способность грунтов по устойчивости еще не исчерпана.
Если расчеты основания на устойчивость подтвердили его надежность, то фундамент принимается с расчетными размерами и приводится характеристика первого варианта фундамента, например, вывод: осадка на всех опорах и относительная неравномерность осадок между всеми опорами не превышает предельных значений, фундаменты мелкого заложения устанавливать можно.
1. Подошва фундамента опирается на супесь — слой № 2 (φ = 20 0 , с = 0.5 тс/м 2 );
2. Расчетное сопротивление грунта основания составляет R = 22тс/м 2 ;
3. Среднее давление под подошвой фундамента составляет р =20тс/м 2 ;
4. Расчетная осадка фундамента равна s = 8.5 см;
5. Крен сооружения составляет i = 0.002;
На заключительном этапе проектирования фундаментов мелкого заложения рассчитывают собственно конструкцию фундамента (размеры уступов, армирование и т.д.) методами железобетонных конструкций.
Далее, переходят к проектированию конкурирующего варианта – свайного фундамента и, после окончания проектирования, проверки расчетов, выводов дается заключение о выборе основного варианта типа фундаментов (свайных или мелкого заложения) на основе технико-экономического сравнения вариантов.
Рекомендуемая литература
1. СНиП 2.02.01-83 * . Основания зданий и сооружений М., 2001.
2. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83), НИИОСП им. Н.М.Герсеванова – М., Стройиздат, 1986.
3. В.А. Соколов, Д.А. Страхов, Л.Н. Синяков, Каркасные здания и сооружения. Конструирование и расчет.
Учебное пособие. Изд-во СПбГПУ, 2007.
4. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений. Учебное пособие под редакцией Б.И. Далматова, 2-е изд. М., изд-во АСВ, СПб, СПбГАСУ, 2001.
5. А.К. Бугров, Фундаменты основных зданий и сооружений атомных и тепловых электростанций. Учебное пособие Л., 1991.
6. Свод правил СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. ФГУПЦПП, М., 2005.
7. Фундаменты гражданских и промышленных зданий и сооружений. Альбом конструкций: учебное пособие для проектирования. СПб. Изд-во Политехнического ун-та, 2010.
1. Конструкции фундаментов мелкого заложения. 5
2. Предварительное определение размеров и площади подошвы фундамента. 8
3. Определение осадок фундаментов, их неравномерностей и кренов. Уточнение размеров фундаментов. 22
4. Расчёт относительной неравномерности осадок фундаментов. 27
5. Расчёт крена фундамента. 28
Рекомендуемая литература. 30
