Расчёт и конструирование ленточных фундаментов под несущие стены

Ленточные фундаменты под несущие стены проектируют сборными и монолитными. Монолитные фундаменты из бутового камня, бетона и бутобетона применяют для малоэтажных зданий при отсутствии индустриальной базы и в случае передачи на грунт только сжимающих усилий. Основным строительным материалом для ленточных фундаментов под стены является железобетон. Монолитные железобетонные фундаменты представляют собой непрерывную ленту, как правило, прямоугольного сечения (рис. 16, а, поз. 1). При большой ширине фундамента b_f поперечное сечение ленты принимают трапецеидальным (рис. 16, б, поз. 2). Тем самым увеличивают высоту ленты h_f (рис. 16, поз. 8) с целью последующего выполнения её расчётов на продавливание, поперечную силу и изгибающий момент, то есть обеспечения несущей способности.

Рис. 16. Конструктивные элементы ленточного фундамента под несущие стены: а – монолитного с лентой прямоугольного сечения, б – монолитного с лентой трапецеидального сечения, в – сборного с блок-подушкой трапецеидального сечения

У сборных железобетонных фундаментов (рис. 16, в) роль монолитной ленты выполняют отдельные блок-подушки (рис. 16, в, поз. 4), укладываемые впритык один к другому или с небольшими разрывами Δ_f вдоль оси стены. Величина разрыва определяется расчётом, но принимается не более 0,9 м (рис. 16, поз 13). По конструкции блок-подушки могут быть сплошные (прямоугольного и трапецеидального сечения), ребристые и пустотные. Наибольшее распространение получили сплошные блок-подушки трапецеидального сечения. Они просты в изготовлении, их конструкция (геометрические размеры и армирование по подошве одной сеткой) обеспечивает необходимую прочность и трещиностойкость. Стенки сборных фундаментов собирают из сплошных (при любой водонасыщенности грунта) или пустотелых (только при маловлажных грунтах) стеновых (фундаментных) блоков (рис. 16, в, поз.5). Их изготавливают из тяжелого бетона, керамзитобетона или силикатного бетона. Ширину блоков b_fb (рис. 16, в, поз. 9) принимают равной или менее толщины надземных стен, но не менее 300 мм и при свесах стен не более 100 мм в каждую сторону. Фундаментные блоки имеют унифицированные размеры: ширину b_fb , равную 300, 400, 500, 600 мм, высоту h_f , равную 280 и 580 мм (рис. 16, в, поз. 10), и длину l_fb (рис. 16, поз. 12), равную 880, 1180 и 2380 мм. Высота блок-подушек h_f (рис. 16, в, поз. 8) составляет 300 и 500 мм, ширина b_f — 800…4400 мм, длина l_f — 880, 1180 и 2380 мм (рис. 16, в, поз. 11).

Стены фундаментов собирают из нескольких рядов блоков, укладываемых с перевязкой вертикальных швов (рис. 16, в) на длине не менее 0,4∙h_fb при малосжимаемых грунтах или не менее h_fb при структурно неустойчивых (просадочных) грунтах. Для обеспечения пространственной жёсткости фундамента между продольными и поперечными стенами устраивают не только перевязку швов (рис. 17, в), но и закладку в швы сеток из арматуры класса А240 (А-I) диаметром 8…10 мм на растворе марки не менее марки раствора основной кладки и не менее М50. Аналогичные сетки вводят в горизонтальные швы между блоками для повышения устойчивости стен подвала под действием активного давления грунта. Толщину армируемых швов принимают равной 30…50 мм (рис. 17, а). В некоторых случаях для увеличения жёсткости стен подвала их изготавливают из монолитного железобетона или дополнительно устраивают армированные пояса из монолитного железобетона понизу и поверху фундаментных блоков. Высота таких поясов составляет 150…300 мм (рис. 17, б). При их изготовлении применяют бетон класса не менее В15.

Под ленточными фундаментами устраивают подготовку (рис. 16, поз. 6) аналогично отдельным железобетонным фундаментам. Обрез ленточного фундамента (уровень верха фундаментных блоков) обычно выполняют в уровне отметки планировки грунта (рис. 17, а, б).

Рис. 17. Конструктивные мероприятия по увеличению пространственной жёсткости стен ленточных фундаментов: а – армирование горизонтальных швов, б – армированные пояса из монолитного железобетона, в – армирование горизонтальных швов перевязки продольных и поперечных стен

Несущие стены и стены ленточных фундаментов в продольном направлении обладают большой жёсткостью и практически не изгибаются под действием внешней нагрузки. Это приводит к перераспределению нагрузки в этом направлении и к равномерному реактивному давлению грунта. В поперечном направлении под действием реактивного давления грунта происходит изгиб консолей блок-подушки или монолитного ленточного фундамента. Всё это позволяет при расчёте фундамента выделить отрезок стены длиной один метр и определить приходящуюся на него вертикальную нагрузку в уровне верха фундаментных блоков. Для определения требуемой площади подошвы ленточного фундамента используют нормативные значения вертикальных нагрузок N_n и условное расчётное сопротивление несущего слоя грунта R₀:

,

где

h_gf — глубина заложения фундамента;

γ_m — средний удельный вес фундамента и грунта на его уступах (при отсутствии подвала принимают γ_m = 20 кН/м³, а при наличии подвала — γ_m = 17 кН/м³);

N_n — продольная сила от нормативной вертикальной нагрузки в уровне обреза фундамента.

Требуемую ширину блок-подушки b_f,тр вычисляют как b_f,тр = А_f /1 п.м. (погонный метр) и принимают подушку с шириной больше или равной требуемой для сборных фундаментов по каталогу, а для монолитных –кратно 100 мм в большую сторону. У сборных фундаментов допускается укладывать блок-подушки с разрывом. Его величину определяют по формуле

,

где l_f — фактическая длина блок-подушки по каталогу.

Пространство между блок-подушками заполняется песком или грунтом с уплотнением.

Для центрально нагруженных ленточных фундаментов следующим этапом является уточнение значения расчётного сопротивления грунта основания R и проверка среднего давления на грунт по подошве (рис. 18, а):

,

где

G_n,gr — вес грунта на уступах блок-подушки;

G_n,fb — вес фундаментных блоков;

G_n,f — вес блок подушки;

l_f = 1 м, так как все нормативные вертикальные нагрузки собраны с одного погонного метра длины стены. Вместе с тем, все эти нагрузки можно представить в виде:

.

В результате проверку среднего давления на грунт производят по формуле:

.

При выполнении этой проверки переходят к расчётам основания по второй и первой группе предельных состояний, а после этого – к расчётам ленточного фундамента по несущей способности и по пригодности к нормальной эксплуатации. Это расчёты блок-подушки на продавливание, на прочность по нормальному и наклонному сечениям, а также по образованию и раскрытию трещин.

При расчётах на продавливание и на прочность реактивное давление грунта по подошве определяют от расчётных нагрузок, приложенных к обрезу фундамента (рис. 18 б, в). При расчёте центрально нагруженного ленточного фундамента собственный вес блок-подушки и грунта на её уступах не учитывают. Среднее давление на грунт и соответствующий отпор грунта вычисляют по формуле

,

где l_f = 1 м, так как вертикальные нагрузки N и G_fb собраны с одного погонного метра длины стены.

Расчёт на продавливание выполняют по аналогии с отдельным центрально нагруженным прямоугольным в плане фундаментом под колонны, но проверяют одну грань призмы продавливания:

,

где

F′_pr — часть продавливающей силы, приходящаяся на проверяемую грань, ;

h_{0, f} — рабочая высота сечения блок-подушки;

A₀— часть площади основания фундамента, приходящаяся на проверяемую грань (рис. 18, в),

.

Проверку прочности блок-подушки на раскалывание не производят.

Рис. 18. Расчётные схемы центрально нагруженного ленточного фундамента под несущие стены: а – определение размеров подошвы фундамента, б – расчёт на прочность по нормальным и наклонным сечениям, в ­– расчёт на продавливание, г – поперечные сечения

Расчёт прочности блок-подушки по нормальному и наклонному сечениям выполняют как для консольного стержня вылетом с₁ с жёстким защемлением в уровне наружной грани фундаментных блоков и загруженного реактивным давлением грунта. Поперечную силу и изгибающий момент в сечении 1-1 по грани фундаментных блоков определяют по формулам:

, ,

,

где l_f = 1 м (здесь и в последующих расчётах этой лекции).

При проверке прочности наклонного сечения на действие поперечной силы исходят из условия восприятия этой силы только бетоном без установки поперечной арматуры в блок-подушке. При с₁ ≤ 2,4∙h_0,f указанную проверку производят по формуле

,

а при с₁ > 2,4∙h_{0, f} условие прочности имеет вид

.

При невыполнении указанных условий увеличивают высоту блок-подушки.

Проверку прочности по нормальному сечению производят по аналогии с расчётом прямоугольного сечения плитной части отдельного фундамента: для определения требуемой площади рабочей арматуры используют два условия равновесия. Из условия равенства моментов внешних сил и внутренних усилий относительно оси растянутой арматуры сетки, укладываемой в уровне подошвы фундамента, вычисляют относительную высоту сжатой зоны бетона:

,

ξ = х / h_{0, f} .

При выполнении условия ξ ≤ ξ_R используют второе условие равновесия ΣN = 0:

,

где R_b — расчётное сопротивление бетона блок-подушки осевому сжатию.

Из этого уравнения определяют требуемую площадь растянутой арматуры А_s на длине фундаментной ленты (блок-подушки) l_f = 1 м. В качестве рабочей используют арматуру класса А400 (А-III) или А300 (А-II). Эту арматуру располагают в поперечном направлении (вдоль ширины подошвы) с шагом вдоль оси стены 100…200 мм. Если ширина фундаментной ленты (блок-подушки) b_f ≤ 3 м, то диаметр рабочей арматуры принимают не менее 10 мм (d_s ≥ 10 мм), а если b_f > 3 м — то не менее 12 мм (d_s ≥ 12 мм).

В продольном направлении (вдоль оси стены) арматуру устанавливают конструктивно с шагом 200 или 250 мм. Её диаметр d_sk уточняют по свариваемости с рабочей арматурой: d_sk ≥ 0,25∙d_s Площадь конструктивной арматуры должна составлять не менее 20 % от площади рабочей арматуры на длине фундамента l_f = 1 м. Коэффициент армирования в рассчитываемом сечении 1-1 должен быть не менее минимально допустимого:

.

Расчёт ленточного фундамента по образованию и раскрытию трещин производят для прямоугольного сечения 1-1 по аналогии с отдельно стоящими железобетонными фундаментами. При этом используют нормативные нагрузки и проверяют выполнение следующего условия:

;

где

W_pl — упругопластический момент сопротивления рассчитываемого сечения;

; ,

При невыполнении этого условия трещины образуются и требуется расчёт ширины их раскрытия как от постоянных и временных длительных нагрузок a_crc,2 , так и от полных нагрузок a_crc,1 . Указанные расчёты выполняют по аналогии с проверками плитной части отдельных фундаментов под колонны.

При наличии подвала ленточный фундамент под несущие стены рассчитывают как внецентренно нагруженный. При этом так же, как и у центрально нагруженных фундаментов, выделяют отрезок стены длиной один метр, определяют приходящуюся на него вертикальную нагрузку в уровне обреза фундамента N_n , и вычисляют требуемую площадь подошвы фундамента A_f по формуле

,

где γ_m — средний удельный вес фундамента и грунта на его уступе с одной стороны консольного вылета монолитной ленты или блок-подушки (γ_m = 17 кН/м³).

Затем принимают ширину блок-подушки b_f по каталогу или кратно 100 мм для монолитных ленточных фундаментов.

В дальнейших расчётах таких фундаментов учитывают следующие нагрузки:

· нормальную силу N_n (N) и изгибающий момент М_n (М) от внешней нагрузки в уровне обреза фундамента; изгибающий момент возникает из-за возможного смещения оси стены здания относительно оси стены подвала и из-за эксцентриситета приложения нагрузки от надподвального перекрытия;

· вес грунта от уровня планировки земли до уровня верха блок-подушки с одной стороны её консольного вылета 0,5∙G_n,gr (0,5∙G_gr) и изгибающий момент M_n,gr (M_gr), создаваемый этим усилием относительно центра тяжести подошвы фундамента:

, ,

, ,

,

где

l_f = 1 м;

γ_gr — объёмный вес грунта обратной засыпки;

h_gr — расстояние от уровня планировки земли до уровня верха блок-подушки;

γ_f = 1,15 — коэффициент надёжности по нагрузке для грунта обратной засыпки;

· вес фундаментных блоков G_n,fb (G_fb); при бетонных блоках со средней плотностью ρ ≤ 1600 кг/м³ γ_f = 1,2, а при ρ > 1600 кг/м³ или изготовлении стены подвала из монолитного железобетона γ_f = 1,1;

· активное (горизонтальное) давление грунта обратной засыпки E_n,a (E_а) с учётом полезной нагрузки q_n (q) на прилегающей к подвалу территории и изгибающий момент M_n,a (M_а), создаваемый этим усилием относительно центра тяжести подошвы фундамента; при отсутствии в проекте данных о полезной нагрузке её нормативное значение q_n принимают равным 10 кН/м², а расчётное значение вычисляют при γ_f = 1,2:

, ,

, ,

, ,

где

l_f = 1 м, так как все нагрузки учитывают на один погонный метр длины стены;

γ_f = 1,15 — коэффициент надёжности по нагрузке для грунта обратной засыпки;

γ_f = 1,2 — коэффициент надёжности для полезной нагрузки;

φ — угол внутреннего трения грунта обратной засыпки;

γ_gr — объёмный вес грунта обратной засыпки.

ЛЕКЦИЯ 8