ФУНДАМЕНТИ МІЛКОГО ЗАКЛАДЕННЯ

1. Класифікація основ і фундаментів мілкого закладення. Основи - це шари грунтів, що сприймають навантаження від фундаментів будівель і споруд (грунти- це гірські породи та техногенні утворення, які є об’єктом інженерно-господарської діяльності людини і можуть слугувати основами, середовищем і матеріалами для різних будівель та споруд). Розрізняють природні та штучні основи. Природна основа має місце в тому випадку, коли її не потрібно поліпшувати. Штучна основа - якщо грунт в природному стані непридатний для сприйняття діючого навантаження і необхідне його поліпшення.

Фундамент - підземна або підводна частина будівлі чи споруди, що передає навантаження на основу. За конструктивними і технологічними особливостями влаштування фундаменти бувають: мілкого закладення - передають навантаження на основу через свою підошву і споруджуються у відкритих котлованах з попереднім вийманням грунту; пальові фундаменти - опираються на відносно довгі вертикальні або малопохилі стержні - палі; глибокого закладення - занурюються в грунт з одночасним вийманням грунту з під них (опускні колодязі, кесони, стіна в грунті).

За методом виготовлення фундаменти розділяються на: монолітні, збірні і збірно-монолітні. За матеріалом: бутові, бутобетонні, бетонні, залізобетонні, дерев'яні, металеві та комбіновані. За формою в плані: стрічкові - приймаються під безперервні стіни; стовпчаті – приймають під колони та стіни (в комбінації з балками); масивні - влаштовуються у вигляді жорсткого масиву під всією спорудою; плитні – виготовляють у вигляді суцільних, як правило, залізобетонних плит під всією спорудою . За характером роботи під навантаженням: жорсткі і гнучкі. Фундаменти відносять до жорстких, коли ширина їх підошви не виходить за межі призми жорсткості (рис.9.1). В протилежному випадку фундаменти гнучкі (рис.9.2).

Гнучкі фундаменти (матеріал - зазвичай залізобетон) сприймають моментні навантаження, а жорсткі невеликих розмірів (матеріал - бут, бутобетон або бетон) - практично тільки стискуючі навантаження. Тангенс кута жорсткості α залежить від матеріалу фундаменту і коливається в межах 0,2-0,35.

2. Навантаження на основи і фундаменти та їх сполучення. Збір навантажень на основи і фундаменти виконують у відповіності з конструктивною схемою будівлі та СНиП 2.01.07-85 [26]. Навантаження, що передаються на основи і фундаменти, розділяються на постійні та тимчасові. Постійні навантаження - це вага конструкцій будівель, а також вага і тиск грунтів. Тимчасові навантаження поділяються на:

- довготривалі (вага обладнання, понижені нормативні значення навантажень на покриття, перекриття, снігове та ін.) – можуть викликати затухаючі деформації основ і тому використовуються в розрахунках за ІІ-ю групою граничних станів (за деформаціями);

- короткотривалі (повні нормативні значення навантажень на покриття, перекриття, снігове та ін.) – не можуть викликати затухаючі деформації основ і тому використовуються в розрахунках за І-ю групою граничних станів (за несучою здатністю);

- особливі (аварійні, вибухові, сейсмічні, від просідання грунту) – не можуть викликати затухаючі деформації основ і тому використовуються в розрахунках за І-ю групою граничних станів.

Розрахункове значення навантаження знаходять за виразом

, де (9.1)

- нормативне значення навантаження; - коефіцієнт надійності для навантаження. Для розрахунків за деформаціями , а за несучою здатністю або (приймається варіант, що погіршує роботу основ) і визначається у відповідності з [26].

Нормативні значення постійних навантажень визначаються за паспортами виробів, або за розмірами конструкцій та питомою вагою матеріалів. Тимчасові технологічні навантаження приймають за паспортами обладнання і завданням на проектування. Нормативні значення рівномірно розподілених навантажень на перекриття приймають за табл. 3 [26]. В цій таблиці наводяться повне (максимально можливе) та понижене (найбільш імовірне) значення цих навантажень.

Повне нормативне значення снігового навантаження на горизонтальну проекцію покриття знаходять за виразом

, де (9.2)

- нормативне значення снігового навантаження на горизонтальну поверхню землі, приймається з табл.4 [26]; - коефіцієнт переходу від до , що враховує кут нахилу і форму покриття та визначається за додатком 3 [26].

Повне нормативне значення вітрового навантаження знаходять за виразом

, де (9.3)

- нормативне значення вітрового тиску; - коефіцієнт, що враховує зміну вітрового тиску з висотою; - аеродинамічний коефіцієнт, що враховує форму будівлі.

Розрізняють такі сполучення навантажень:

- основні, що включають постійні, можливі тимчасові довготривалі і короткотривалі навантаження;

- особливі, що включають постійні, можливі тимчасові короткотривалі і одне з особливих навантажень.

Розрахунки основ за деформаціями виконують на основні сполучення навантажень, а за несучою здатністю - на основні і особливі сполучення.

При розрахунках на основні сполучення з використанням одного тимчасового навантаження останнє враховується повністю. При двох і більше тимчасових навантаженнях їх величини перемножуються на коефіцієнт сполучень : для довготривалих навантажнь , для короткочасних .

3. Нормативні та розрахункові значення характеристик грунтів. Для того щоб визначити фізико-механічні характеристики конкретного матеріалу (грунтів, бетону, арматури) необхідно провести експериментальні дослідження цього матеріалу за методикою, яка викладена в конкретному ГОСТі. Проте, результати експериментів можуть різнитися між собою, тобто включати систематичні та випадкові помилки. Тому для визначення розрахункових значень характеристик матеріалів використовують теорію випадкових помилок.

Перед визначенням розрахункових значень характеристик проводять статистичну перевірку на виключення грубих помилок. Виключають такі значення , для яких виконується умова

, де (9.4)

- відповідно фактична і теоретична помилка окремого вимірювання; - статистичний критерій, який приймається за відповідними таблицями; - середнє значення досліджуваної характеристики, яке визначається за формулою

(9.5)

Середньоквадратичне відхилення у виразі (9.4) визначається за формулою

, де (9.6)

- кількість дослідів.

Для характеристик, які безпосередньо використовуються в розрахунках, їх розрахункові значення визначають за формулою

, де (9.7)

- нормативне значення характеристики; - коефіцієнт надійності для характеристики .

Розрахункове значення характеристики визначають в залежності від кількості повторних визначень та довірчої ймовірності α. Для розрахунків за деформаціями , а для розрахунків за несучою здатністю .

За нормативне значення характеристики приймають середнє арифметичне значення результатів окремих їх визначень після виключення грубих помилок.

В загальному випадку можна записати

, де (9.8)

- коефіцієнт надійності, який визначається з таблиць в залежності від довірчої ймовірності α і кількості дослідів ; - cередньоарифметичне значення середньоквадратичного відхилення, яке визначається за формулою

(9.9)

Перетворимо вираз (9.8) до форми виразу (9.7). Врахувавши те, що коефіцієнт варіації визначається за формулою

(9.10)

матимемо

(9.11)

Позначимо

(9.12)

Тоді вираз (9.11) набуде вигляду

(9.13)

Позначимо

(9.14)

Тоді (9.13) матиме вигляд

(9.15)

або

(9.16)

Кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення визначають за графіком (рис. 9.3). Для кожного з трьох значень виконують не менше шести повторних дослідів, тобто в сумі не менше 18 дослідів для кожного ІГЕ.

Хрестиками на рис. 9.3 нанесено експеремента-льні значення опорів грунту зсуву при певному значенні . Ці точки утворюють кореляційне поле. На кореляційному полі можна побудувати необмежену прямих , які певним чином будуть описувати залежність між експериментальними , і . Оптимальною буде та пряма, для якої витримується умова найменших квадратів

, де (9.17)

- експериментальні значення опорів грунту зсуву; - середнє (теоретичне) значення опорів грунту зсуву.

З математики відомо, що вираз прямої, яка відтинає на осі ординат видрізок довжиною має вигляд . Відомо, що закон Кулона для зв‘язних грунтів має вигляд . Ці рівняння є подібними . У цьому випадку коефіцієнти і можуть бути підібрані методом найменших квадратів. Коефіцієнти рівняння визначають за виразом

(9.18)

(9.19)

За (9.18) і (9.19) визначають нормативні значення міцністних характеристик грунтів. До розрахункових значень переходять за допомогою коефіцієнта надійності по грунту (аналогічно як для звичайних характеристик).

У деяких випадках (для споруд ІІІ класу капітальності) допускається приймати за відповідне значення характеристики з табл. 6. додатку І СНиП 2.02.03-83 [24]. В цьому випадку при визначенні розрахункових значень характеристик коефіцієнт надійності приймається рівним - для розрахунків за деформаціями (ІІ група граничних станів). Для розрахунків за несучою здатністю (І група граничних станів) - для питомого зчеплення, - для кута внутрішнього тертя пилувато-глинистих грунтів і - для кута внутрішнього тертя пісків, - для питомої ваги грунту.

Методика статистичної обробки результатів визначення розрахункових характеристик грунтів наведена в ДСТУ Б В.2.1-5-96 [18].

4. Принципи проектування основ і фундаментів за граничними станами. Граничними називаються такі стани конструкцій та основ, при яких вони перестають задовільняти вимоги, які до них ставлять, тобто втрачають несучу здатність, стійкість, отримують недопустимі деформації тощо. Основним завданням проектування основ і фундаментів є завдання недопущення в будівлях і спорудах виникнення граничних станів (це забезпечить надійність проектних рішень). З іншого боку, реальні стани конструкцій та основ повинні бути наближеними до граничних (це забезпечить економічність).

У даний час проектування конструкцій та основ виконують за двома групами граничних станів. Розрахунки першої групи забезпечують можливість експлуатації будівель взагалі, розрахунки другої групи - можливість їх нормальної експлуатації. Стосовно промислового та цивільного будівництва перша група включає розрахунки основ за несучою здатністю, а друга група - розрахунки за деформаціями.

Метою розрахунків основ за несучою здатністю є забезпечення стійкості основ, попередження зсуву фундаменту по підошві чи його перекидання. Розрахунки виконують, виходячи з умови

, де (9.20)

- розрахункове навантаження на основу (див. п. 5.1); - несуча здатність основи у напрямку дії сили ; - коефіцієнт умов роботи (залежить від виду грунту і приймається за п.2.58 СНиП 2.02.01-83 [24]); - коефіцієнт надійності за призначенням споруди, приймається рівним 1,2; 1,15 і 1,1 відповідно для будівель І, ІІ і ІІІ класів капітальності.

Розрахунки основ за несучою здатністю виконують у таких випадках:

- на основи передаються значні горизонтальні навантаження (можливі зсув фундаменту або втрата стійкості основи);

- будівля розміщена поблизу укосу (можлива втрата стійкості укосу);

- фундаменти опираються на скельні грунти;

- якщо середній тиск під підошвою фундаменту більший за розрахунковий опір грунту ;

- якщо відстань від підлоги підвалу до підошви фундаменту у багатоповерхових будівлях менша за 0,5м;

- основи складені водонасиченими грунтами, що повільно ущільнюються.

В останньому випадку частина напружень сприймається водою, в результаті чого опір грунту зсуву, а відповідно й міцність, зменшуються і закон Кулона приймає вигляд (3.4) .