Отдельные фундаменты

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Классификация фундаментов

● Фундаменты, так же как и перекрытия, являются неотъемлемой частью любого здания. В подавляющем большинстве случаев их выполняют из железобетона. Они передают нагрузку от опирающихся на них колонн или стен на основание. Фундаменты бывают трех типов: отдельные — под каждой колонной (рис. 10.1, а), ленточные — под рядами колонн в одном или двух направлениях (см. рис. 10.5), а также под стенами (рис. 10.1, б), сплошные — под всем сооружением (рис. 10.1, в). Тип фундамента выбирают из сопоставления их стоимости, расхода материалов и трудовых затрат с учетом эксплуатационных и конструктивных требований. Отдельные фундаменты устраивают при относительно небольших нагрузках, хороших грунтах и достаточно редком расположении колонн. При больших нагрузках и относительно слабых грунтах делают ленточные фундаменты. Последние особенно целесообразны при неоднородных грунтах и различных по величине нагрузках. Если несущая способность ленточных фундаментов недостаточна, то устраивают сплошные фундаменты.

Рис. 10.1. Типы железобетонных фундаментов

Отдельные фундаменты

■ Центрально-нагруженные фундаменты. Эти фундаменты проектируют квадратными в плане.

●По форме они могут быть ступенчатыми (рис. 10.2, а) или пирамидальными (рис. 10.2, б). Последние экономичнее по расходу материалов, но сложнее в изготовлении и применяются реже.

Обычно фундаменты проектируют так, чтобы нулевой цикл строительных работ мог быть закончен до монтажа колонн и произведена обратная засыпка грунта. Для этого верх фундамента располагают на 15 см ниже уровня чистого пола. Устанавливают фундаменты на естественный грунт, бетонную, щебеночную или песчаную подготовку толщиной 10 см.

●По способу изготовления различают фундаменты сборные и монолитные, в большинстве случаев применяют монолитные фундаменты. Сборные устраивают, когда они невелики по размерам, в сложных геологических или суровых зимних условиях, а также когда применение их сокращает сроки строительства и дает экономию.

Монолитные фундаменты выполняют из бетона классов В12,5...В15, сборные-ВI5...B20. Центрально-нагруженные фундаменты армируют сварными сетками классов А-II, А-III с одинаковой арматурой в двух направлениях. Шаг стержней обычно принимают 150...200мм, диаметр — не менее 10 мм. Минимальная толщина защитного слоя при возведении монолитного фундамента на бетонной подготовке — 35 мм, при ее отсутствии — 70 мм, для сборных фундаментов — 30 мм.

Сборные фундаменты проектируют под сборные колонны, монолитные фундаменты — как под сборные, так и под монолитные. Сборные колонны жестко заделывают в специальные гнезда — стаканы, оставляемые в фундаменте при бетонировании (рис. 10.2, а, б). Закрепление колонн в стакане осуществляют посредством заливки цементного раствора, между стенкой и колонной. Для жесткого соединения монолитных колонн с фундаментами из последних выпускают арматуру с площадью сечения, равной расчетной площади арматуры колонны у обреза фундамента (рис. 10.2, в). Выпуски арматуры фундамента стыкуют с арматурой колонны дуговой сваркой или внахлестку, без сварки. Стыки устраивают выше уровня пола. В пределах фундамента выпуски арматуры соединяют в каркасы хомутами и доводят до бетонной подготовки.

Рис. 10.2. Отдельные центрально нагруженные фундаменты:

а — монолитный под сборную колонну;

б — сборный под сборную колонну;

в — монолитный под монолитную колонну.

Расчет фундамента состоит из двух частей: расчета основания (определяют форму и размеры подошвы) и тела фундамента (высоту фундамента, размеры его ступеней и сечения арматуры).

■ Расчет основания фундамента. Определение размеров подошвы фундамента производят при допущении, что реактивное давление на грунт по подошве фундамента распределяется по линейному закону, например при центральном нагружении по прямоугольной эпюре (рис. 10.3). В действительности распределение давления зависит от свойств грунта, жесткости фундамента и имеет более сложный характер. Однако, как показали исследования, принятое допущение упрощает расчет и не приводит к ошибкам.

Рис. 10.3. К расчету отдельных центрально нагруженных фундаментов:

1 — пирамида продавливания

Нагрузками, создающими давление на грунт, являются продольная сила N_col, передаваемая колонной, и собственный вес фундамента, включая вес грунта на его ступенях N_fun. Площадь подошвы А должна быть подобрана так, чтобы среднее давление под подошвой не превышало расчетного давления на грунт R [4]:

Значение продольного усилия принимают с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f=l, поскольку расчет основания производят по деформациям. Обозначив глубину заложения подошвы фундамента Н и принимая нагрузку от средней плотности материала фундамента и грунта на его ступенях γ_m = 20 кН/м³,из (10.1) получают

откуда

По найденной площади устанавливают размеры сторон подошвы фундамента, округляя их в большую сторону до значения, кратного 30см, если применяют металлическую инвентарную опалубку, и 10см при использовании неинвентарной опалубки.

Далее переходят к расчету прочности тела фундамента.

■ Расчет тела фундамента. Высоту фундамента определяют из условия его прочности на продавливание в предположении, что продавливание происходит по поверхности пирамиды, боковые стороны которой начинаются у колонны и наклонены под углом 45° к вертикали* (рис. 10.3, а). В качестве расчетной продавливающей силы F принимают силу N_col за вычетом отпора грунта р, распределенного по площади нижнего основания пирамиды продавливания. При квадратной колонне со стороной h_col площадь нижнего основания будет (h_col+2h₀)², тогда

где N_col — расчетное продольное усилие, передаваемое колонной на фундамент, вычисляемое при γ_f>1; р— отпор грунта от расчетного продольного усилия без учета веса фундамента и грунта на его ступенях.

Условие прочности на продавливание имеет вид (6.3), где u_m — среднее арифметическое между периметрами верхнего и нижнего основания пирамиды продавливания,

Рабочая высота центрально-нагруженного фундамента с квадратной подошвой может быть вычислена по приближенной формуле, выведенной из условия (6.3) с учетом (10.3) и (10.4):

тогда полная высота фундамента будет h=h₀+a (рис. 10.3, б).

Проверку фундамента на продавливание следует производить не только по всей высоте, но и под каждой из ступеней.

Если в стакан фундамента устанавливают сборную колонну, то его глубина (м) должна также удовлетворять конструктивным требованиям обеспечения жесткого защемления колонны в фундаменте и достаточной анкеровки продольной арматуры [6]:

где l_an — длина анкеровки арматуры колонны в стакане фундамента, l_an = (20...30)d.

Определив высоту фундамента из расчета на продавливание [см. формулу (10.5)] и конструктивных требований, принимают большую из них. При h≤450мм фундамент выполняют одноступенчатым, при 450мм<h≤900мм — двухступенчатым и при h>900мм — трехступенчатым.

* Если основание пирамиды продавливания выходит за пределы основания фундамента, то расчет на продавливание не производят.

Причинами разрушения фундаментов под сборные колонны могут также быть продавливание дна стакана (см. рис. 10.2, а) и раскалывание фундамента (рис. 10.3, в). Это имеет место при отсутствии надежного сопряжения колонны с фундаментом из-за некачественного омоноличивания стыка и т. п. Проверку дна стакана на продавливание осуществляют по формуле (6.3), по аналогии с изложенным ранее. Проверку фундамента на раскалывание (рис. 10.3, в) делают из условия [11]

где μ — коэффициент трения бетона по бетону, μ = 0,75; γ₁ — коэффициент условия работы фундамента в грунте, γ₁ = 1,3; A₁ — площадь вертикального сечения фундамента в плоскости, проходящей по оси сечения колонны, за вычетом площади стакана.

Ступени фундамента работают под воздействием реактивного давления грунта р снизу, подобно консолям, заделанным в массив фундамента (рис. 10.3, б). Поскольку фундамент не имеет поперечной арматуры, высота нижней ступени должна быть также проверена на прочность по наклонному сечению по условию восприятия поперечной силы бетоном [см. формулу (4.47)]:

где правую часть неравенства принимают не менее 0,6R_btbh₀ и не более 2,5R_btbh₀; с — длина проекции рассматриваемого наклонного сечения (рис. 10.3, а).

Армирование фундамента по подошве определяют расчетом по нормальным сечениям 1—1, 2—2; значения изгибающих моментов в этих сечениях как для консольных балок:

Требуемую площадь арматуры, воспринимающую растягивающие напряжения при изгибе в сечении 1—1 на всю ширину фундамента, определяют из условия M_i-1 = R_sA_s1z₁, приняв z₁≈0,9h₀:

аналогично для сечения 2—2

Из двух значений A_s1 и A_s2 выбирают большее, по которому и производят подбор диаметра и количества стержней. Вначале задаются шагом стержней, затем определяют их количество, на единицу больше числа шагов. Деля A_s на число стержней, получают требуемую площадь одного стержня, по которой подбирают диаметр. При ширине подошвы фундамента более 3м в целях экономии стали половину стержней можно не доводить до конца на ¹/₁₀ длины в каждую сторону.

■ Внецентренно нагруженные фундаменты. Фундаменты под внецентренно сжатые колонны испытывают воздействие нормальной силы N, изгибающего момента М и поперечной силы Q (рис. 10.4, а). При небольших моментах фундаменты проектируют квадратными в плане, при значительных — прямоугольными с большим размером в плоскости действия момента.

Требуемую площадь фундамента определяют предварительно по формуле (10.2) с коэффициентом 1,2...1,6, учитывающим влияние момента:

Вычислив площадь подошвы фундамента и задавшись соотношением сторон b/а = (0,6...0,8), определяют а и b. Затем находят максимальное и минимальное давление под краем подошвы в предположении линейного распределения напряжений в грунте (рис. 10.4, б...г):

где N_tot, М_tot — нормальная сила и изгибающий момент при γ_f = 1 на уровне подошвы фундамента,

e₀ — эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести подошвы фундамента, e₀=M_tot/N_tot; W — момент сопротивления подошвы фундамента, W=ba²/6.

Максимальное краевое давление p_max на грунт не должно превышать 1,2R (для исключения возникновения в грунте пластических деформаций), а среднее давление р_m-R.

Рис. 10.4. Отдельный внецентренно нагруженный

фундамент с повышенным стаканом

В промышленных зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью более 75 т принимают p_min≥0,25p_max (см. рис. 10.4, б), а грузоподъемностью менее 75т — Ртш^О (см. рис. 10.4, в), т. е. не допускается отрыв фундамента от грунта. Последнее требование будет соблюдаться, если а≥6е₀. В зданиях без кранов допускается выключение из работы не более ¹/₄ подошвы фундамента (см. рис. 10.4, г). Для уменьшения эксцентриситета при больших изгибающих моментах целесообразно сместить фундамент относительно колонны (см. рис. 10.4, д). Очевидно, при смещении на е₀ фундамент будет нагружен центрально. Обычно принимают с = е₀/2.

Высоту внецентренно нагруженного фундамента, как и центрально нагруженного, определяют из условия продавливания (10.5) и конструктивных требований (10.6). Высота нижней ступени и дно стакана должны быть проверены расчетом на продавливание; нижнюю ступень, кроме того, проверяют по условию (10.8) восприятия поперечной силы одним бетоном. Фундаменты под сборные колонны рассчитывают на раскалывание по обеим осям.

Для определения площади арматуры нижней части фундамента находят отпор грунта от расчетных нагрузок N_col, M_col, Q_col, передаваемых колонной без учета веса фундамента, при γ_f>1:

Затем вычисляют изгибающие моменты по граням колонны и уступов фундамента, как в консольной плите:

●в направлении действия момента — от среднего давления на этих участках (рис. 10.4, б): для сечения 1—1

где p_m1 = (P_max+P₁)/2;

●в направлении, перпендикулярном плоскости действия момента, от давления p_m = N_col/(ab); для сечения 2—2

После определения моментов подсчитывают требуемое количество арматуры в каждом направлении по формуле

где h_oi — расчетная высота рассматриваемого сечения.

§ 10.3. Ленточные фундаменты

●Ленточные фундаменты устраивают под сплошные стены (см. рис. 10.1, б) и под рядами колонн в виде отдельных (рис. 10.5, б) или перекрестных лент (рис. 10.5, а).

■ Ленточные фундаменты под стенами. Их обычно делают сборными, собираемыми из отдельных блоков-подушек, на которые опираются фундаментные блоки.

Рис. 10.5. Ленточные фундаменты под колонны:

1 — рабочая арматура

Блоки-подушки могут быть сплошные — прямоугольного и трапециевидного профилей, ребристые и пустотные. Наибольшее распространение получили сплошные блоки трапециевидного профиля. Они имеют простую геометрическую форму, армируются понизу одной сеткой и поэтому более просты в изготовлении, чем блоки других типов. Блоки-подушки укладывают вплотную и с зазором. Ширину их определяют из расчета основания — делением нормативной нагрузки на сопротивление грунта. Расчет прочности подушки производят только в поперечном направлении, рассматривая выступы как консоли, загруженные реактивным давлением грунта р (без учета массы подушки и грунта на ней). Площадь арматуры подбирается по моменту М=pl²/2, где l — вылет консоли (см. рис. 10.1, б).

Толщину сплошной подушки h назначают из условия воспринятия поперечной силы Q=pl одним бетоном (без поперечного армирования), принимая ее не менее 200мм.

■ Ленточные фундаменты под рядами колонн (рис. 10.5, а, б). Их выполняют обычно монолитными, таврового сечения с полкой понизу. В продольном направлении отдельная лента работает на изгиб, как балка, находящаяся под воздействием сосредоточенных нагрузок от колонн и отпора грунта снизу. Ребра армируют подобно неразрезным балкам. Продольную арматуру определяют расчетом прочности нормальных сечений на изгибающий момент, поперечную — расчетом наклонных сечений на поперечную силу. Фундаменты армируют сварными или вязаными каркасами. При армировании сварными каркасами в ребре должно быть не менее двух каркасов при b<400 мм, не менее трех — при b = 400...800 мм и не менее четырех — при b>800мм. Плоские каркасы объединяют в пространственные. Для этого к верхним продольным стержням приваривают соединительные стержни или на них укладывают сварные сетки.

Поскольку в процессе возведения и эксплуатации сооружения возможно неравномерное загружение фундамента и его неравномерная осадка, в ребрах укладывают непрерывную продольную верхнюю и нижнюю арматуру и количестве μ = 0,2...0,4%.

Свесы полок тавра работают под воздействием отпора грунта как консоли, защемленные в ребре. Толщину полки назначают из условия, чтобы в ней не требовалась арматура для воспринятия поперечной силы. Для армирования полок целесообразно применять сварные сетки с рабочей арматурой в двух направлениях. При этом поперечные стержни используют как арматуру полки, а продольные включают в площадь нижней рабочей арматуры.

При расчете фундаментные ленты большого поперечного сечения и сравнительно малой длины при небольших расстояниях между колоннами можно считать абсолютно жесткими, поскольку деформации конструкции малы по сравнению с деформациями основания. Распределение давления по подошве таких фундаментов можно приближенно принимать по линейному закону.

Абсолютно жесткий ленточный фундамент рассчитывают как статически неопределимую балку, на которую сверху действует нагрузка от колонн, а снизу — реактивный отпор грунта. Размеры площади подошвы фундамента в этом случае устанавливают как для фундаментов, нагруженных внецентренно (или центрально) вдоль ленты. При симметричном загружении ленты вдоль ее оси эпюра давления на грунт имеет вид прямоугольника, при несимметричном — трапеции.

Фундаментные ленты большой длины, загруженные колоннами, расположенными на значительных расстояниях, считаются гибкими, поскольку их перемещения соизмеримы с перемещениями основания. Железобетонные гибкие ленточные фундаменты рассчитывают как балки на упругом основании. При этом широкое применение нашли два метода расчета. Метод, основанный на гипотезе Винклера, предполагает, что величина осадки в какой-либо точке основания прямо пропорциональна давлению, приложенному к этой точке и не зависит от осадки других точек. Согласно другому методу грунт рассматривают как однородное упругое тело, бесконечно простирающееся вниз и в стороны и ограниченное сверху плоскостью. Такое основание принято называть упругим полупространством. Расчет железобетонных ленточных фундаментов как балок на упругом основании и упругом полупространстве детально разработан и изложен в специальной литературе [18].