Пример расчета устойчивости фундамента: советы и рекомендации

Расчет фундамента на устойчивость включает в себя анализ различных факторов, влияющих на его прочность и стабильность. Для начала проводят оценку механических свойств грунта, на котором будет возведен фундамент, включая его несущую способность и коэффициенты уплотнения. Затем рассчитывают нагрузки, возникающие от конструкции здания, динамических воздействий и внешних факторов, таких как искажения от морозного пучения или осадки.

На примере бетонного фундамента для двухэтажного дома, важно определить не только размеры и глубину заложения фундамента, но и использовать методы, такие как проверка на текучесть и сдвиг, чтобы убедиться в его устойчивости под действием различных нагрузок. Таким образом, проектирование фундамента требует комплексного подхода с учетом геологических и инженерных параметров для обеспечения надежности сооружения.

Расчет фундамента

Приступая к выбору фундамента, следует определиться с терминами и параме­трами, характеризующими сам фундамент и грунт-основание под ним (рис. 1, а).

Фундамент — это подземная часть здания, которая предназначена для передачи нагрузки от здания на грунт, залегающий на определенной глубине и являющийся основанием фундамента.

Глубина заложения фундамента (Hf) — расстояние от подошвы фундамента до поверхности земли.

Подстилающий слой грунта (основание) — слой грунта, на который опирается подошва фундамента.

Расчетная глубина промерзания (hi) — положение границы промерзания отно­сительно уровня грунта, принятое в качестве расчетной величины, узаконенной нор­мативными документами (нормами СНиП).

Вопрос застройщика

Если вокруг дома сделана подсыпка, то из чего следует исходить при назначении глубины заложения фундамента?

Разумеется, грунт будет промерзать с учетом подсыпанного грунта. Поэтому и глубину заложения фундамента в этом случае следует определять от поверхности подсыпки (рис. 1, б).

Глубина промерзания в большей степени определяется климатическими усло­виями данного региона и соответствует наибольшей величине промерзания влажно­го глинистого грунта без снегового покрова в период наиболее низких возможных температур. В пределах Европейской и Сибирской части России граница промерза­ния меняется в широком диапазоне (рис. 2).

Глубина промерзания по городам России и ближнего зарубежья:

70 см — Краснодар, Калининград, Львов.

90 см — Ростов-на-Дону, Астрахань, Киев, Минск, Рига.

100 см — Таллинн, Харьков, Вильнюс.

120 см — Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск.

140 см — Воронеж, Тверь, Санкт-Петербург, Москва, Новгород.

150 см — Вологда, Нижний Новгород, Кострома, Пенза, Саратов.

170 см — Ижевск, Казань, Котлас, Самара, Вятка, Ульяновск, Ярославль, Иваново.

180 см — Уфа, Караганда, Актюбинск.

190 см — Екатеринбург, Челябинск, Сыктывкар, Пермь.

210 см — Тобольск, Кустанай, Барнаул.

220 см — Омск, Новосибирск.

Это следует учитывать

• при постоянном проживании грунт под домом зимой прогревается и расчет­ную глубину промерзания можно уменьшить на 15-20%;
• для мелких и пылеватых песков и супесей значение глубины промерзания следу­ет увеличить в 1,2 раза.

Разумеется, реальная глубина промерзания несколько меньше, чем расчетная. Но на то она и расчетная, чтобы избежать возможных разрушений дома при самых неудачных стечениях обстоятельств, предложенных погодой.

Всемирное потепление и глубина промерзания

Застройщики, решившие учесть общее потепление климата и на этом основа­нии смягчить требования к заглублению фундамента и к утеплению стен, не совсем правы.

Крещенские морозы, накрывшие всю территорию России в январе 2006 г., держа­ли температуру на 15..20° С ниже среднестатистической отметки, напрягая энер­гетиков и владельцев частных домов.

Технология ТИСЭ возведения столбчато-ленточного фундамента и трехслойных стен без "мостков холода" дает возможность сохранить высокие эксплуатационные характеристики индивидуального жилья в подобных климатических условиях.

Уровень грунтовых вод (hw) — положение зеркала грунтовых вод относительно уровня грунта в условно отрытом котловане (скважине).

Сжимаемая толща грунта — деформируемая часть грунта, воспринимающая на­грузку от фундамента.

Очевидно, что чем меньше глубина заложения фундамента, тем меньше стои­мость строительства. Желание снизить затраты на возведение фундамента ведет к стремлению поднять подошву фундамента к поверхности грунта. Вместе с тем верхние слои грунта не всегда могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к основанию сооружения: они имеют недостаточную и неравномерную прочность, подвержены пучинистым явлениям, чем способны вызвать разрушение фундамента и самого строения.

Проектирование фундамента связано не только с выбором его конструкции и глубины заложения, но и с определением его геометрических параметров, главным из которых является площадь подошвы фундамента. Именно этот параметр окажет решающее влияние на "поведение" строения в процессе его эксплуатации. Недоста­точная площадь опоры приведет к недопустимой просадке сооружения, а неравно­мерность просадки под ним — к разрушению возведенного строения. Излишне боль­шая площадь подошвы напрямую ведет к увеличению расхода материалов и затрат, расходуемых на возведение фундамента.

Определиться с требуемой площадью подошвы фундамента можно через прове­дение проектировочных расчетов. В строительной практике предусмотрено выпол­нение расчетов фундамента по двум группам предельных состояний: по несущей способности основания и по допустимым деформациям сооружений. Если первый расчет позволяет определить площадь подошвы фундамента, то второй даст возмож­ность избежать разрушения самого дома от неравномерности в осадке фундамента.

Расчет фундамента по несущей способности основания (информация для любознательных застройщиков)

Целью расчета оснований по несущей способности является оценка прочности и устойчивости грунта-основания под подошвой фундамента от воздействия эксплуатационных нагрузок.

Восприятие нагрузки фундаментом сопровождается его осадкой, которая обусловлена уплотнением грунта и потерей его устойчивости, характеризуемой деформационными сдвигами слоев. Величина осадки (δ) зависит не только от прочностных характеристик грунта, но и от значения прилагаемого усилия (F) (рис. 3), как у пружины, величина сжатия которой зависит от её жесткости и от приложенной силы.

На графике можно выделить типичные участки, характеризующие деформаци­онно-напряженные процессы, проходящие в основании и сопровождающиеся пере­мещением и уплотнением грунта (рис. 4):

ОА — фаза упругих деформаций (рис. 4, а);

АБ — фаза уплотнения и местных сдвигов (рис. 4, б);

БВ — фаза сдвигов и начало бокового уплотнения (рис. 4, в);

ВГ — фаза выпора (рис. 4, г);

ГД — фаза преобладающего бокового уплотнения (рис. 4, д).

Наиболее востребованные фазы работы основания, которые используются в ус­ловиях строительства — ОА, АБ и начальная часть фазы БВ, где преобладающими являются упругие деформации основания. Каждому типу фундамента соответству­ет своя фаза деформаций:

ОА — для фундамента в виде плит, где давление на грунт невелико;

АБ — ленточный мелкозаглубленный фундамент;

АБ (конец) и БВ — столбчатый фундамент.

Остальные фазы работы основания (ГД) реализуются в основном при созда­нии свайных фундаментов, применяемых в индустриальном строительстве (за­бивные сваи).

При возведении столбчато-ленточного фундамента по технологии ТИСЭ уровень напряжений в основании достаточно высок: задействуются вторая поло­вина фазы АБ, фаза БВ и даже ВГ. Работа основания в широком диапазоне упру­гих деформаций обеспечивает "мягкое" восприятие нагрузки от веса возведенно­го строения.

Расчет оснований по несущей способности (для фаз ОА, АБ, начало БВ) выпол­няют через определение требуемой площади подошвы фундамента по следующей формуле:

S > γn F/γc Ro , где

S — площадь подошвы фундамента (см 2 );

F — расчетная нагрузка на основание (общий вес дома, в том числе фундамент, полезная нагрузка, снеговой покров. ) (кг);

γn = 1,2 — коэффициент надежности;

γc — коэффициент условий работы имеет следующие величины:

1,0 — глина пластичная, сооружение жесткой конструкции (каменные стены);

1,1 — глина пластичная, сооружения нежесткой конструкции (деревянные или каркасные стены) и жесткой конструкции длинные, с соотношением длины к высо­те больше 4;

1,2 — глина слабопластичная, пески пылеватые маловлажные, строения нежест­кие и жесткие короткие с соотношением длины к высоте меньше 1,5;

1,2 — крупный песок, строения жесткие длинные;

1,3 — пески мелкие, сооружения любой жесткости;

1,4 — крупный песок, сооружения нежесткие и жесткие длинные;

R0 — условное расчетное сопротивление грунта основания для фундаментов с глубиной заложения 1,5. 2 м (определяется по таблицам 1. 5).

Таблица 1. Расчетные сопротивления R0 крупнообломочных грунтов

Крупнообломочные грунты

R0 (кг/см 2 )

Галька или щебень с заполнителем:

Вычисление устойчивости фундамента на сдвиг и опрокидывание

Завершающим этапом расчета является проверка устойчивости фундамента против опрокидывания и сдвига (плоского и глубокого) от воздействия расчетных нагрузок. Расчет устойчивости против опрокидывания производится по формуле:

где, — сумма моментов удерживающих нагрузок , включающих в себя вертикальную нагрузку от пролётов, веса опоры и фундамента, с вычитанием архимедовой силы.

— сумма моментов опрокидывающих сил. В данном случае опрокидывающие силы представлены нагрузкой от торможения и нагрузкой от действия льда.

>

Фундамент устойчив против опрокидывания, т.к. условие устойчивости выполняется.

Фундамент устойчив против опрокидывания, т.к. условие устойчивости выполняется.

Расчет устойчивости против плоского сдвига производится по формуле:

где — сила трения, возникающая при давлении на грунт вертикальных нагрузок.

где Ктр- коэффициент трения, зависящий от угла внутреннего трения грунта, в котором находится фундамент.

— сумма сдвигающих горизонтальных сил, действующих на фундамент. В данном случае на фундамент действует одновременно 2 горизонтальные нагрузки Т и R. Поэтому необходимо определить их геометрическую сумму:

Фундамент устойчив против плоского сдвига.

Расчет фундаментов на устойчивость против глубинного сдвига производится по методу кругло-цилиндрических поверхностей скольжения. Для этого через угол подошвы фундамента проводят наиболее вероятную дугу кривой скольжения, затем полученную призму грунта разбивают на ряд отсеков, имеющих в полученном вертикальном сечении вид простых фигур: треугольников, трапеций. После этого находят вес каждого отсека и сносят векторы веса на кривую скольжения. Разложив каждый из этих векторов на составляющие: нормальную и касательную, определяют силы трения. Аналогично поступают и с вектором веса сооружения.

Затем определяют силы сцепления как произведение длины дуги L в глинистом грунте на величину сцепления С.

Получив значение сил, действующих на систему "грунт-сооружение", составляют выражение условия устойчивости по формуле

К= 1,5,

где М — момент сил, удерживающих систему против сдвига;

М- момент сил, сдвигающих систему "грунт-сооружение".

Устойчивость сооружения против глубокою сдвига считается обеспеченной, если при наиболее невыгодной поверхности скольжения соблюдается условие К1,5. Для этого задаются другими положениями поверхностей скольжения, проводя из новых центров О, О дуги, проходящие на чертеже через угол подошвы фундамента.

Проводим дугу поверхности скольжения с центра О1 :

Таблица 1.1.7 Определение веса отсеков

Таблица 1.7.2 Определение сил

, kH

cos

, kH

sin

, kH

, кН

М=·R+=220,67*9+0,017*14,8=1986,28 кНм;

М=∑·R+=33,377*9+636*1,5=1254,393кН·м,

К 1 => 1,5.

В первом случае условие устойчивости фундамента против глубинного сдвига выполняется.

Схема к расчету фундамента на глубинный сдвиг изображена на рис.1.7.1

Проводим дугу поверхности скольжения с центра О2 :

Таблица 1.7.3 Определение веса отсеков

Таблица 1.7.4Определение сил

, kH

cos

, kH

sin

, kH

, кН

М=·R+=478,4*10,9+19,1*0,017=5214,56 кНм;

М=∑·R+=8,93*10,9+636*2,4=1623,74кН·м,

К=> 1,5.

Во втором случае условие устойчивости фундамента против глубинного сдвига выполняется.

Схема к расчету фундамента на глубинный сдвиг изображена на рис.1.7.2.