Предельные состояния конструкций фундаментов и оснований грунтов

Фундаментом называют подземную или подводную часть сооружения (Рис.1), которая передает нагрузку от сооружения грунту основания и распределяет ее на большую площадь.

Основанием считают слои грунта, залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него, влияющие на устойчивость фундамента и его перемещения.

Нижнюю плоскость, которой фундамент опирается на грунт, называют подошвой. Верхнюю границу между фундаментом и телом сооружения называют плоскостью обрезов или просто обрезом фундамента. Расстояние по вертикали от обреза до подошвы составляет высоту фундамента .

Рис. 1 Схема фундамента мелкого заложения опоры моста: 1 — фундамент; 2 — основание; 3 — несущий пласт; 4 — подошва фундамента; 5 — обрез фундамента; 6 — опора; 7 — наинизший уровень дна после размыва грунта.

Под глубиной заложения фундамента понимают расстояние от самого низкого, в период эксплуатации сооружения, уровня поверхности грунта до подошвы фундамента. В общем случае высота фундамента и глубина его заложения могут быть различными (Рис.1).

Необходимость заглубления фундамента диктуется рядом условий. Верхние слои грунта обычно имеют низкую несущую способность. Устройством фундамента и заглублением его до прочных грунтов обеспечивают надежное существование сооружения, как во время строительства, так и в период его эксплуатации.

Заглублением фундамента ниже уровней размыва предохраняют опоры мостов от потери устойчивости и обрушения в результате подмыва грунта основания текущей водой.

Многие грунты подвержены пучению при промерзании. Заглубление фундаментов ниже зоны пучения предохраняет сооружение от воздействия нормальных сил пучения, которые могут вызвать его деформации.

Второе назначение фундаментов — распределение нагрузки на большую площадь — вытекает из сопоставления прочности материала надфундаментной части сооружения и прочности грунта. Прочность грунта обычно значительно меньше прочности материала сооружения, поэтому подошва фундамента имеет размеры большие, чем размеры сооружения.

Фундамент может служить и ограждающей конструкцией, например, в зданиях, имеющие подвалы.

Различают фундаменты мелкого и глубокого заложения. К последним относят свайные (Рис.2) и столбчатые, массивные фундаменты в виде опускных колодцев (Рис.3) и кессонов, а также фундаменты, сооружаемые способом «стена в грунте». Ростверк объединяет сваи в одну конструкцию и распределяет на них нагрузку от сооружения. Столбчатый фундамент по сравнению со свайным, имеет большие размеры несущих элементов — столбов. Массивный фундамент глубокого заложения отличается от свайного и столбчатого конструкцией, большими размерами и особенностями погружения. фундамент заложение проектирование подземный.

Рис. 2. Свайный фундамент опоры моста: 1 — сваи; 2 — подошва ростверка; 3 — ростверк; 4 — обрез ростверка; 5 — опора; 6 — линия наибольшего размыва.

Рис. 3. Фундамент глубокого заложения в виде опускного колодца: 1- уровень размыва грунта; 2 — опора; 3 — распределительная плита; 4 — заполнитель из песка или бетона; 5 — стенка колодца; 6 — нож; 7 — подушка подводного бетона.

Основные требования расчета фундаментов по предельным состояниям заключаются в том, чтобы усилия, напряжения, деформации и перемещения отдельных конструкций, основания или всего сооружения были близки к установленным предельным величинам и не превышали их.

Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний:

• — по первой группе — по несущей способности (по устойчивости)
• — по второй группе — по деформациям (осадки, прогибы, углы поворота), т. е., когда возникают недопустимые для данного вида сооружения деформации и затрудняют эксплуатацию всего здания или сооружения.

При возведении здания или сооружения наблюдается постоянное возрастание давления по подошве фундаментов.

Распределение напряжений, как под подошвой фундамента, так и на значительной глубине необходимо знать, так как прочность и устойчивость сооружений зависит от сопротивления (R) грунта, не только примыкающей к подошве, но и глубоколежащего.

Рис. 4. Н.М.Герсеванов

При деформации грунтов под нагрузкой Николай Михайлович Герсеванов выделил три фазы НДС:

I — фаза нормального уплотнения;

II — фаза сдвигов;

III — фаза выпирания грунта.

Зависимость вертикальных перемещений фундамента от действующего давления по его подошве изображена на рис. 5.

На графике (рис. 5) участок оа соответствует фазе уплотнения (I), при которой осадка пропорциональна приложенной нагрузке. Эта фаза обусловлена вертикальным перемещением частиц грунта вниз .

Из-за концентрации напряжений под краями фундамента в начале фазы сдвигов (II) происходит разрушение грунта в локальных областях, т. е. происходят местные потери устойчивости. По мере роста внешней нагрузки нарушается линейная зависимость между осадкой и давлением. График на участке аб характеризуется значительной кривизной. При дальнейшем возрастании давления под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро и при малейшем увеличении внешней нагрузки приведет к исчерпанию несущей способности.

S, мм.

Рис. 5. Зависимость осадки S от давления Р (график Н.М. Герсеванова)

На рис. 5 такое давление соответствует точке б, являющейся переходной от второй к третьей фазе НДС.

Рис. 6. Фазы НДС в основании фундамента при возрастании давления по подошве: а — уплотнение; б, в — сдвиг; гвыпор грунта

Давление, соответствующее началу появления областей пластических деформаций (сдвигов и разрушения грунта) под краями фундамента, называется начальным, или первым критическим, давлением .

Начальное критическое давление определяется по формуле Н. П. Пузыревского:

.

где — удельный вес грунта основания;

— угол внутреннего трения;

d — глубина заложения подошвы фундамента;

с — удельное сцепление.

Во второй фазе под краями фундамента формируются области пластических деформаций (разрушения грунта), которые развиваются в сторону и в глубину (рис. 6,б), < P < R

Согласно СНиП 2.02.01−83* наибольшая глубина развития области пластических деформаций под краями фундамента не должна превышать. Среднее давление под подошвой фундамента, при котором под его краями в основании формируются области пластических деформаций на глубину, приравнивается к расчетному сопротивлению (рис. 6,в) P = R.

При дальнейшем увеличении давления по подошве фундамента Р > R области (зоны) локального разрушения грунта развиваются в ширину и в глубину основания, при этом под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро в виде клина (рис. 6,г). В определенный момент времени краевые области разрушения грунта основания смыкаются на глубине и в результате расклинивающего действия уплотненного ядра устанавливается такое состояние, при котором малейшее увеличение нагрузки приводит к потере несущей способности.

Таким образом, давление, соответствующее исчерпанию несущей способности грунта основания, называется предельным, или вторым критическим давлением .

Второе критическое давление определяется по формуле.

где — интенсивность боковой пригрузки.

Рассмотрим два примера, как влияет прочность нижележащего слоя на прочность и устойчивость сооружения.

Если в основании находятся слабые грунты, под покровом более устойчивых, то опасность нарушения устойчивости повышается с увеличением ширины фундамента (рис.7).

Рис. 7. Влияние ширины фундамента на прочность и устойчивость сооружения (по Н. Н. Маслову, 1949): а — при пластических деформациях; б — при выпоре грунта

Таким образом, если в основании находятся плотные грунты под покровом слабых, то опасность нарушения устойчивости понижается с увеличением ширины фундамента (рис.7).

Если из массива грунта, находящегося под действием какой-либо нагрузки, выделить кубик (рис.8), то на него будут действовать вертикальные и горизонтальные нормальные напряжения и три пары касательных напряжений — и, и, и и .

Рис. 8. НДС грунта