Расчет оснований мелкозагубленных фундаментов.

Общие принципы расчета.

Основания рассчитываются в общем случае, как и все строительные конструкции, по двум группам предельных состояний:

по I группе – по несущей способности
по II группе – по деформациям.
Наступление предельного состояния I группы, т.е. исчерпание несущей способности основания, характеризуется быстрыми провальными осадками, зачастую превышающими 1м, т.е. полным разрушением основания. Если такое состояние наступает, то оно происходит сразу же после приложения полной эксплуатационной нагрузки и происходит очень быстро (в первые часы или дни эксплуатации). Однако наступление предельного состояния I группы в основаниях происходит крайне редко. Оно обычно соответствует внешним нагрузкам, значительно превышающим нагрузки, вызывающие наступление предельного состояния II группы. Иными словами, если фундамент удовлетворяет требованиям к деформациям основания, то в большинстве случаев требования к несущей способности этого основания удовлетворяются автоматически. По этой причине отечественные нормы требуют выполнения расчетов по I группе предельных состояний только в четырех случаях:

при больших горизонтальных нагрузках
для фундаментов, расположенных вблизи откосов
при скальных основаниях
при слабых, медленно уплотняющихся основаниях.
Расчет несущей способности основания производится по формулам, полученным методами теории предельного равновесия, в которой, как известно, грунт моделируется сыпучей средой, обладающей сцеплением, т.е. характеризующейся двумя параметрами б и с.

Практически определяется и оценивается по приведенной формуле раздельно вертикальная Nu и горизонтальная Fu составляющие предельного сопротивления основания. Как отмечалось, СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 приводят формулы для определения этих составляющих.

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления Nu принимается для скальных грунтов равной прочности на одноосное сжатие (в пересчете его на площадь подошвы фундамента). Для дисперсных Nu грунтов определяется расчетом по приводимой в нормах формуле в зависимости от угла внутреннего трения б, удельного сцепления с грунта, а также глубины заложения и размеров (ширины, длины) подошвы фундамента.

Для медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтов должно учитываться влияние нейтрального (порового) давления в грунте u путем вычитания этого давления из нормальных напряжений в грунте б. Если такие грунты однородны, допускается этот вопрос решать упрощенно, принимая б = 0.

Расчетные характеристики грунта, используемые при расчетах по I группе предельных состояний, как отмечалось в разделе 4.5, должны содержать «запасы» большие, чем при расчетах по II группе. Их обозначения должны иметь индекс I, т.е. бI, cI, бI и т.д. Это же относится и к нагрузкам, которые при расчетах по I группе предельных состояний принимаются более высокими, чем при расчетах по II группе. Такое условие обеспечивается за счет того, что коэффициенты надежности и по нагрузкам, и по грунту при расчетах по I группе предельных состояний принимаются большими, чем при расчетах по II группе.

Предельным состоянием II группы считают такое состояние основания, при котором его разрушения не происходит, но деформации (осадки, горизонтальные смещения, крены и т.д.) достигают предельных значений, превышение которых создает угрозу безопасности сооружения. Практически такое превышение всегда отражается на состоянии надземных конструкций: это трещины в стенах, балках, иногда их обрушение.

В общем случае расчет по II группе предельных состояний включает определение ожидаемых деформаций основания и сравнение их с установленными допустимыми величинами. Однако нормативные документы допускают многочисленные упрощения, при которых в ряде случаев сами деформации могут и не определяться, а оцениваться косвенно (например, по ожидаемому давлению под подошвой фундамента). Тем не менее, при проектировании сооружений на дисперсных грунтах расчет основания по II группе предельных состояний (в полной или упрощенной форме) делается всегда.

В соответствии с отечественными нормативными документами (СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004) такой расчет в общем случае включает три этапа:

предварительный выбор размеров подошвы фундамента по приближенному значению расчетного сопротивления основания R0, определяемому в зависимости от физических свойств грунта по таблицам, приводимым в нормах
уточнение размеров подошвы фундамента на основе более надежного расчета, использующего более точную величину расчетного сопротивления основания R, которая определяется по специальной формуле в зависимости от механических свойств грунта и предварительно принятых размеров подошвы фундамента
расчет осадок фундамента, определение их неравномерности, для высоких сооружений определение крена; сравнение полученных деформаций с допустимыми величинами.
Для малоответственных сооружений (III уровень ответственности) расчет можно ограничить первым этапом. В этом случае при необходимости производится небольшая дополнительная корректировка табличного значения R0 в зависимости от глубины заложения фундамента и предполагаемой ширины его подошвы (таблицы охватывают лишь наиболее типичные размеры фундамента).

Для большинства объектов массового строительства, возводимых в относительно благоприятных грунтовых условиях (точные критерии приведены в СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004) расчет можно ограничить первыми двумя этапами, т.е. допускается расчет деформаций не производить. В этом случае предполагается, что при давлении под подошвой фундамента меньшем R осадки не превзойдут допустимых величин.

В остальных случаях (неблагоприятные грунтовые условия, повышенная ответственность проектируемых сооружений) расчеты деформаций обязательны. Расчет осадок производится «методом послойного суммирования», изложенным в СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 (за рубежом в большинстве стран расчеты осадок также производятся аналогичным методом). Главная идея этого метода состоит в том, что основание разбивается на горизонтальные слои толщиной не более 0,4b (b – ширина фундамента), определяется деформация (осадка) каждого слоя, затем все осадки слоев суммируются, и получается общая осадка. В каждом слое сначала определяются напряжение бzp , для чего используется специальная таблица значений б. Исходя из напряжений в каждом слое, вычисляют их осадки (напряжения делятся на модуль деформации и умножаются на толщину слоя).

Полученные расчетом деформации сравниваются с допустимыми значениями. СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004 содержат таблицу допустимых (предельных) деформаций оснований для различных сооружений, в которой рассматриваются следующие три критерия:

средняя осадка (для каркасных зданий максимальная осадка smax u)
(относительная разность осадок is (см. рис.3а)
крен i0.
Согласно упомянутой таблице, например, для многоэтажных бескаркасных кирпичных зданий допускается средняя осадка 10см и относительная разность осадок is = 0,002. Для каркасных зданий (одноэтажных и многоэтажных) с железобетонным каркасом допускается максимальная осадка smax u = 8см и относительная разность осадок is = 0,002, при стальном каркасе допускаются большие деформации: s max u =12см и is = 0.004 и т.д.