Рецензент

д.т.н., профессор кафедры

«Сопротивления материалов и строительной механики»

Басиев К.Д.

Т39 Основания и фундаменты.

Методические указания к курсовому проекту по курсу «Основания и фундаменты» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 270800 «Строительство» (очной и заочной форм обучения). Сост. Тибилов В.И., Алборов А.Д.; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГМИ) (ГТУ).- Владикавказ: Изд-во «Терек», 2011.- 120 с.

Изложены основные требования к подготовке исходных данных для проектирования фундаментов на естественных основаниях. Рассмотрены ос­новы теории расчета и принципы проектирования основных типов фунда­ментов.

УДК 624.15

ББК 38.58

Редактор: Мисикова И.А.

Компьютерная верстка: Цишук Т.С.

© Составление.ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский

горно-металлургический институт

(государственный технологический университет)», 2011

© Тибилов В.И., Алборов А.Д., составление, 2011

Подписано в печать 10.07.11 Формат 60 х 84 ¹/₁₆.Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 2,6. Тираж 100 экз. Заказ №_____

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)». Издательство «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……………………………………………………………………………….5

1. Общие принципы проектирования оснований и фундаментов …………….. 6

1.1. Основные понятия и определения. Особенности конструкций подзем­ной

части зданий и сооружений. Общие требования к проектированию

осно­ваний и фундаментов…….................................................................................6

1.2. Естественные и искусственные основания. Основные типы

фундамен­тов…………………………………………………………………………...7

1.3. Оценка результатов инженерно-геологических изысканий….......................12

1.4. Нагрузки для расчета оснований и фундаментов..........................................22

1.5. Последовательность проектирования оснований и фундаментов…………..33

2. Фундаменты мелкого заложения в открытых котлованах на

естествен­ном основании..........................................................................................37

2.1. Основные положения порядок проектирования….........................................37

2.2. Выбор глубины заложения..............................................................................42

2.3. Определение размеров подошвы, расчет по деформациям...........................54

2.4. Расчет конструкций железобетонных фундаментов…...................................68

2.4.1. Расчет фундаментов на продавливание.......................................................69

2.4.2. Расчет фундаментов по прочности на раскалывание..................................73

2.4.3. Определение площади сечений арматуры плитной части...........................74

2.4.4. Расчет прочности поперечных сечений подколонника...............................75

2.4.5. Расчет фундамента по второй группе предельных состояний

(на рас­крытие трещин)…......................................................................................77

3. Свайные фундаменты.........................................................................................79

3.1. Общие сведения о свайных фундаментах.......................................... ………79

3.2. Способы погружения и типы свай..................................................................84

3.3. Расчет одиночной сваи по несущей способности...........................................96

3.4. Проектирование свайного куста.....................................................................111

3.5. Проектирование ростверка.............................................................................113

3.6. Расчет по деформациям..................................................................................114

Заключение............................................................................................................119

Библиографический список..................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование оснований и фундаментов является одним из навы­ков, составляющих основу профессиональных знаний, приобретаемых сту­дентами направления подготовки 270800 «Строительство». Важным становится овладение будущими инженерами-строителями сис­темой теоретических принципов, лежащих в основе инженерных методов расчета фундаментов.

Учебное пособие содержит объем сведений, необходимых для расчета и проектирования оснований и конструкций фундаментов, излагаемых в об­щем курсе «Основания и фундаменты». Выбор конструкции фундамента и его размеров, удовлетворяющих грунтовым условиям конкретной площадки строительства, нередко делает задачу выбора оптимального решения слиш­ком сложной, требуя от проектировщика творческих способностей. Ошибки, возможные на этом этапе, приводят часто к невозможности эксплуатации со­оружения в полной мере без значительных затрат.

Процесс проектирования состоит из решения отдельных типовых за­дач, начиная с выбора несущего слоя грунта, глубины заложения, типа и раз­меров элементов фундамента и вплоть до конструирования и оптимизации. Материал в учебном пособии построен таким образом, что, изучая его, сту­дент получает необходимые теоретические сведения обо всех этапах проек­тирования наиболее распространенных типов фундаментов, переходя от про­стого к сложному.

Материал пособия послужит основой при подготовке к промежуточ­ной аттестации и тестированию в течение семестра.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

1.1. Основные понятия и определения. Особенности конструкций подземной части зданий и сооружений. Общие требования к проектированию оснований и фундаментов

Проектирование подземной части зданий и сооружений связано с рас­четом двух взаимосвязанных систем «фундамент» - «грунтовое основание» с учетом конструктивных особенностей надземного сооружения (способа пе­редачи нагрузки, материалов конструкций, пространственной жесткости, на­значения и т.д.). Для иллюстрации основных терминов, которые будут ис­пользоваться в дальнейшем, рассмотрим типичную схему фундамента, пред­ставленную на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема фундамента: 1 - конструкция надземного сооружения; 2 - обрез; 3 - от­крытый котлован; 4 - фундамент; 5 - подошва; 6 - основание; 7 - грунт

Фундаментом (4) называется часть здания или сооружения, преиму­щественно подземная, которая воспринимает нагрузки от конструкций над­земного сооружения (1) и передает их на естественное или искусственное ос­нование, сложенное фунтами.

Основанием (5, 6) называется напластование грунтов, воспринимаю­щих нагрузку от фундамента.

Грунтами (7) называются рыхлые горные породы, образовавшиеся в результате выветривания верхних слоев литосферы.

Фундаменты устраивают в открытых котлованах (3) или полостях за­данной формы, создаваемых в массиве грунта.

Верхняя плоскость фундамента, на которую опираются надземные конструкции, называется обрезом (2), а нижняя плоскость, соприкасающаяся с основанием, - подошвой (5). За ширину фундамента принимают меньший размер подошвы - b. Расстояние от обреза фундамента до подошвы есть вы­сота фундамента к. Глубиной заложения фундамента d_f является расстоя­ние от подошвы до уровня планировки.

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, вос­принимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные дефор­мации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемеще­ний и усилий. Неправильное проектирование, подготовка оснований и возве­дение фундаментов могут привести к тому, что даже выполненная согласно проекту конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Мировой опыт строительства показы­вает, что большинство аварий построенных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством основа­ний.

Одной из характерных особенностей неправильного возведения фун­даментов является то, что его отрицательное действие проявляется после накопления грунтами основания достаточных деформаций, т. е., как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные и заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно расселять, подвергать сложным ремонтно-восстановительным рабо­там, а нередко и полностью или частично разбирать.

Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании и возведе­нии фундаментов, или стремление к неоправданной экономии ресурсов мо­гут потребовать проведения дополнительных мероприятий, стоимость кото­рых во много раз превысит стоимость фундаментов.

Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных инженерно-геологических условиях может дос­тигать 20...30% и более. Поэтому необоснованное принятие чрезмерно сложных для конкретных условий конструкций фундаментов и производства работ по их возведению приведет к неоправданному удорожанию строительства.

Важно отметить, что технология работ по подготовке оснований и устройству фундаментов и подземных частей зданий во многом отличается от работ по возведению подземных сооружений. В зависимости от типа со­оружения, рельефа местности, инженерно-геологических и гидрогеологиче­ских условий строительной площадки, климатических и метеорологических условий района строительства, даже времен года, когда выполняются эти ра­боты, технология производства строительных работ может значительно из­меняться. Правильный выбор технологии подготовки оснований и устройст­ва фундаментов имеет очень большое значение для надежного и экономично­го строительства сооружений. Эти вопросы специально рассматриваются в курсе технологии строительного производства и подробно изложены в учеб­ном пособии [1].

На основании вышеизложенного можно сформулировать общие тре­бования, предъявляемые в действующих нормативных документах, к проек­тированию оснований и фундаментов:

- обеспечение прочности и эксплуатационных параметров зданий и со­оружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать до­пустимых величин);

- максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;

- достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемко­сти, сокращение сроков строительства.

Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже условий:

- комплексный учет при выборе типа оснований и фундаментов инже­нерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки;

- учет влияния конструктивных и технологических особенностей соору­жения на его чувствительность к неравномерным осадкам;

- оптимальный выбор методов выполнения работ по подготовке основа­ний, устройству фундаментов и подземной части сооружений;

- расчет и проектирование оснований и фундаментов с учетом совмест­ной работы системы «основание - фундаменты - конструкции сооружения».

Таким образом, проектирование оснований и фундаментов состоит в выборе типа основания (естественное или искусственное), конструктивного решения (в том числе материала) и размеров фундаментов (глубина заложе­ния, размеры площади подошвы и т.д.), а также определении мероприятий, применяемых для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуата­ционную пригодность и долговечность сооружения.

Конструирование фундаментов (назначение класса бетона, подбор ар­матуры, определение размеров отдельных его частей и т.п.) относится к кур­су железобетонных конструкций.

1.2. Естественные и искусственные основания. Основные типы фундаментов

Основания фундаментов могут быть сложены грунтами естественно­го и искусственного происхождения. Грунты оснований зданий и сооруже­ний подразделяются на два класса: скальные (грунты с жесткими связями) и нескальные (грунты без жестких связей).

В классе скальных грунтов выделяют магматические, метаморфиче­ские и осадочные породы, которые подразделяются по прочности (от весьма низкой прочности R_с<1 МПа до высокой R_с>120 МПа, где R_с-прочность на сжатие), размягчаемости (неразмягчаемые и размягчаемые) и степени рас­творяемости в воде (от легкорасворяемых до нерастворяемых). К скальным грунтам, прочность которых в водонасыщенном состоянии менее 5 МПа, от­носятся глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, мегрели, мелы.

Корме того, в классе скальных грунтов выделяются также искусственные -закрепленные в естественном залегании трещиноватые скальные и нескаль­ные грунты, которые подразделяются по способу закрепления (цементация, силикатизация, смолизация, обжиг и др.) и по пределу прочности на одноос­ное сжатие.

Нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, биогенные и почвы. Свойства этих грунтов и основные закономерности процессов, происходящих в них при восприятии нагрузок, изучались в курсе «Механика грунтов» и изложены в [2, 3].

Фундаменты по характеру передачи нагрузки на грунты основания можно разделить на две группы - фундаменты мелкого и глубокого заложе­ния.

Отличительные особенности фундаментов мелкого заложения заклю­чаются в следующем:

- нагрузка на основание передается преимущественно через подошву фундамента;

- соотношение размеров (высота h и ширина b) не превышает 4, что по­зволяет рассматривать такие фундаменты как жесткие конструкции:

- фундаменты устраивают в основном в открытых котлованах.

Из общего многообразия различных типов фундаментов по характеру работы следует выделить фундаменты, предназначенные для восприятия значительных горизонтальных нагрузок от бокового давления грунтов (стены подвалов, подпорные стены, шпунтовые ограждения), и анкерные фундамен­ты, работающие на выдергивающие усилия (фундаменты мачт, линий элек­тропередач и т.д.).

При большом различии инженерно-геологических условий площадок строительства на территории России, а также разнообразии конструкций зда­ний и сооружений; применяемых в массовом строительстве, используются в основном столбчатые, ленточные и плитные фундаменты на естественном, уплотненном или искусственно закрепленном основании и свайные фунда­менты.

Предварительная оценка области применения фундаментов различных типов в зависимости от грунтовых условий может быть выполнена с помо­щью табл. 1.1.

Таблица 1.1

Область применения фундаментов различных видов

Основания	Грунты	Тип фундамента
прорезаемые	основания	Мелкого заложения
на есте- ствен­ном ос­новании	на уплотнен- ном или искус­ственно закре­пленном осно­вании
Свайный
Однослойные	Слабые Средние Прочные	± ± +	± ± -	± ± -
Двух- слойные	Средние	Средние Прочные	± ±	± ±	± ±
Средние	Слабые Прочные	- +	± -	± ±
Прочные	Слабые Средние	+ +	± +

1.3. Оценка результатов инженерно-геологических изысканий

Основания сооружений должны проектироваться на основе результа­тов инженерно-геодезических, геологических и гидрометеорологических изысканий на площадке строительства.

При проектировании оснований и фундаментов следует учитывать местные условия строительства, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в аналогичных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Инженерные изыскания для строительства должны проводиться в со­ответствии с требованиями СНиП [4], государственных стандартов и других нормативных документов по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов для строительства.

Грунты оснований должны именоваться в описаниях результатов изы­сканий, проектах оснований, фундаментов и других подземных конструкций сооружений согласно ГОСТ 25100 - 82.

Результаты инженерных изысканий должны содержать данные, необ­ходимые для выбора типа оснований и фундаментов, определения глубины заложения и размеров фундаментов с учетом прогноза возможных изменений

(в процессе строительства и эксплуатации) инженерно-геологических и гид­рогеологических условий площадки строительства, а также вида и объема инженерных мероприятий по ее освоению.

Проектирование оснований без соответствующего инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается.

Результаты инженерно-геологических и гидрогеологических исследо­ваний, излагаемые в отчете об изысканиях, должны содержать сведения:

- о местоположении территории предполагаемого строительства, о ее климатических и сейсмических условиях и о ранее выполненных исследова­ниях грунтов и подземных вод;

- об инженерно-геологическом строении и литологическом составе толши грунтов и о наблюдаемых неблагоприятных физико-геологических и других явлениях (карст, оползни, просадки и набухание грунтов, горные выработки и т. п.);

- о гидрогеологических условиях с указанием высотных отметок поя­вившихся и установившихся уровней подземных вод, амплитуды их колеба­ний и величин расходов воды; о наличии гидравлических связей горизонтов вод между собой и ближайшими открытыми водоемами, а также сведения об агрессивности вод в отношении материалов конструкций фундаментов;

- о грунтах строительной площадки, в том числе описание в страти­графической последовательности напластований грунтов основания, форма залегания грунтовых образований, их размеры в плане и по глубине, возраст, происхождение и классификационные наименования, состав и состояние грунтов.

Для выделенных слоев грунта должны быть приведены физико-механические характеристики, к числу которых относятся:

- плотность и влажность грунтов ;

- коэффициент пористости грунтов е;

- гранулометрический состав для крупнообломочных и песчаных грунтов;

- число пластичности I_р и показатель текучести грунтов I_l,

- угол внутреннего трения ₀, удельное сцепление с и модуль дефор­мации грунтов Е;

- коэффициент фильтрации К _ф,

- коэффициент консолидации для водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести I_l > 0.5, биогенных грунтов и илов;

- временное сопротивление на одноосное сжатие, коэффициент раз­мягчаемости, степень засоленности и растворимости для скальных грунтов;

- относительная просадочность, а также величина начального давле­ния и начальной критической влажности для просадочных грунтов;

- относительное набухание, давление набухания и линейная усадка для набухающих грунтов;

- количественный и качественный состав засоления для засоленных грунтов;

- содержание органического вещества для биогенных грунтов и сте­пень разложения для торфов.

В отчете обязательно указываются применяемые методы лаборатор­ных и полевых определений характеристик грунтов.

К отчету прилагаются таблицы и ведомости показателей физико-механических характеристик грунтов, схемы установок, примененных при полевых испытаниях, а также колонки грунтовых выработок и инженерно-геологические разрезы. На колонках грунтовых выработок должны быть от­мечены все места отбора проб грунтов и пункты полевых испытаний грунтов.

Характеристики грунтов должны быть представлены их нормативны­ми значениями, а удельное сцепление, угол внутреннего трения, плотность и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов также и расчетны­ми значениями.

В отчете должен быть также дан прогноз изменения инженерных ус­ловий территории (площадки) строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений.

Данные о климатических условиях района строительства должны при­ниматься по указаниям главы СНиП по строительной климатологии и геофизике [5].

Для учета при проектировании оснований опыта строительства необ­ходимо иметь данные об инженерно-геологических условиях этого района, о конструкциях возводимых зданий и сооружений, нагрузках, типах и размерах фундаментов, давлениях на грунты основания и о наблюдавшихся деформа­циях сооружений.

Наличие таких данных позволит лучше оценить инженерно-геологические условия площадки, а также возможность проявления неблаго­приятных физико-геологических процессов и явлений (развитие карста, оползней и т. д.), характеристики фунтов, выбрать наиболее рациональные типы и размеры фундаментов, глубину их заложения и т. д.

Проектом оснований и фундаментов должна быть предусмотрена срезка плодородного слоя почвы для последующего использования в целях восстановления (рекультивации) нарушенных или малопродуктивных сель­скохозяйственных земель, озеленения района застройки и т. п.