Рассчитываем фундамент на опрокидывание

Давно известно, что надежность здания зависит не только от правильного выбора фундамента, качественных стройматериалов, профессиональных работников, но и от определения грунтов на участке и соответствующий расчет нагрузок.

Сведения и задачи для расчетов

Стройка начинается с расчета. Это первое правило строительства и неважно, идет речь о жилом 9-этажном доме или хижине дяди Тома, к примеру. Для расчетов необходимы данные. Сбор сведений – такая же ответственная работа, как и проведение расчетов. Данные собираются по-разному. Это могут быть динамические или статические испытания, а зачастую параметры и значения из таблиц.

Для проектирования фундаментов нужны такие сведения:

• выкладки инженерно-геологических работ;
• характеристика здания – назначение, конструкционные решения, технология строительства;
• какие силы и нагрузки действуют на фундамент;
• наличие близкорасположенных фундаментов и воздействие на них возводимого здания.

Все указания по расчетам оснований зданий и сооружений приведены в одноименном СП 22.13330.2011, актуализированной версии СНиП 2.02.01-83.

При расчетах определают:

• каким будет основание;
• тип, конструкцию, материал и размер фундамента;
• работы по уменьшению влияния деформаций;
• мероприятия для ослабления изменений близлежащих фундаментов.

Расчет оснований

Основополагающим в расчетах является условие, что несущая способность грунтов вычисляется вместе со всеми элементами сооружения.

Разработкой должна быть решена задача обеспечение их устойчивости в любых проявлениях неблагоприятных вариантов нагрузок и воздействий. Ведь потеря устойчивости оснований соответственно повлечет деформацию, а, возможно, и разрушение всего или части здания.

Проверке подвергаются такие вероятные потери устойчивости:

1. сдвиг грунтов основания вместе с фундаментом;
2. плоский сдвиг сооружения по соприкосновению: подошва сооружения – поверхность грунта;
3. смещение фундамента по какой-либо из его осей.

Помимо нагрузок и других сил, действующих на конструкции, устойчивость здания зависит от глубины заложения, формы, размера подошвы фундамента.

Применение метода предельных состояний

Расчетная схема определения нагрузок достаточно разнообразна и специфична для каждого объекта. На разных этапах до 1955 г. существовали разные методы расчета конструкций: а) допускаемых напряжений; б) разрушающих нагрузок. С момента указанной даты расчеты ведутся по методу предельных состояний. Его особенностью является наличие целого ряда коэффициентов, учитывающих предельную прочность конструкций. Когда такие конструкции перестают отвечать требованиям эксплуатации, их состояние называется предельным.

Упомянутыми СП и СНиП устанавливаются следующие предельные состояния оснований:

• по несущей способности;
• по деформациям.

По несущей способности входят состояния, при которых основание и сооружение не соответствуют эксплуатационным нормам. Это может быть лишение ими устойчивого положения, обрушение, разного рода колебания, избыточные деформации, как пример: оседание.

Вторая группа объединяет состояния, которые затрудняют эксплуатацию конструкций или снижают ее срок. Здесь могут иметь место опасные смещения – осадка, крен, прогибы, появление трещин и т. п. Расчет по деформациям выполняется всегда.

Основания рассчитываются по первой группе в таких ситуациях:

1. при наличии горизонтальных нагрузок – подпорная стена, работы по углублению подвала (реконструкция), фундаменты распорных сооружений;
2. расположение объекта вблизи котлована, откоса или подземной выработки;
3. основание состоит из увлажненных или жестких грунтов;
4. сооружение находится в перечне по I уровню ответственности.

Расчет нагрузок

Проектированием учитываются все виды нагрузок, возникающих на этапах строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Порядок их нормативных и расчетных значений установлен в СП 20.13330.2011, обновленной версии СНиП 2.01.07-85.

Нагрузки классифицируются по длительности воздействия, и бывают постоянными или временными.

В постоянные нагрузки входят:

• вес элементов и конструкций зданий;
• вес насыпных грунтов;
• гидростатическое давление грунтовых вод;
• предварительно напряженные усилия, например: в железобетоне.

Диапазон временных нагрузок более широк. Можно сказать, что к ним относятся все остальные, не вошедшие в постоянные.

Как правило, на основание или конструкцию действует несколько сил, поэтому расчеты предельных состояний выполняются по критическим сочетаниям нагрузок или соответствующим усилиям. Такие сочетания проектируются при анализе состава одновременного приложения различных нагрузок.

По составу нагрузок различаются:

• основные сочетания, куда входят постоянные, длительные и кратковременные нагрузки:

Пример формулы:

• особые сочетания, где помимо основных действует одна из особых нагрузок:

Пример формулы:

Расчет устойчивости фундаментов

Пока лишь только поверхностно ознакомившись с методом предельных состояний, можно представить объем информации и количество расчетов, необходимых для правильного проектирования фундаментов. Здесь нет места ошибкам и оплошностям, ведь речь идет о безопасности не только строителей, но и жильцов или рабочих. И хотя риски массового строительства и индивидуального несопоставимы, малейшие сомнения должны побудить застройщика обратиться к проектировщикам.

Сложный расчет подошвы фундамента на опрокидывание начинается с проверки несущей способности основания. В первую очередь необходимо проверить условие:

На разных грунтах сила предельного сопротивления основания будет разной. Для скальных грунтов ее вычисляют таким образом:

На увлажненных грунтах она определяется из равенства между соотношениями нормальных и касательных напряжений в поверхностях скольжения.

Пример формулы:

Проверка на сдвиг по подошве

Необходимо из всех возможных поверхностей скольжения найти наиболее опасную, и для нее обеспечить равновесие сил: сдвигающих и удерживающих. Проверочными действиями охватываются сочетания нагрузок и различные воздействия. Для каждого случая вычисляется предельная нагрузка.

Обязательным условием расчетов является построение схем и чертежей (на заданную ось или относительно основания), позволяющих определить равенство сил или моментов. В схемах указываются:

• нагрузки от здания;
• вес грунта;
• сила трения по критической поверхности скольжения;
• сила фильтрационного давления.

Поскольку плоский сдвиг по подошве возможен в ситуации, когда механическое взаимодействие грунта и подошвы фундамента путем сцепления меньше горизонтального давления, необходимо произвести расчеты сил на сдвиг и сдерживающих сил. Проверка фундамента на устойчивое положение заключается в соблюдении условия:

где Q1 – составляющая расчетных нагрузок на фундамент, параллельная плоскости сдвига, кН; Еа и Ер – составляющие равнодействующих активного и пассивного давления грунта на боковые грани фундаментов, параллельные плоскости сдвига (кН); N1 – сумма расчитанных нагрузок по вертикали (кН); U – гидростатическое противодавление (кН); b, l – параметры фундамента (м); c1, f – коэффициенты грунтов: сцепления и трения.

Если условие не соблюдается, то сопротивление сдвигу можно увеличить, повышая коэффициент трения. Тогда под фундамент нужно готовить гравийно-песчаную подушку. Посмотрите видео, как сделать песчаную подушку для увеличения устойчивости фундамента.

Сдвиг по подошве обычно происходит на мало сжимаемых грунтах. Зачастую наблюдается глубинный сдвиг внутри грунтового массива.

Проверка на опрокидывание

Это последний этап проведения расчета на опрокидывание. Он скорее формальный, поскольку опрокидывание по одной из граней подошвы может быть вероятным при строительстве на жестком основании – скальных грунтах. В отличие от них сжимаемые основания предрасположены к возникновению кренов, тогда точка вращения смещается к центру фундамента.

В любом случае должно подтверждаться правило, что момент устойчивости сильнее опрокидывающего момента. Проверкой устанавливается следующая закономерность:

Пример

Проверка устойчивости ограждающей бетонной стены. Условия примера: ширина подошвы – 2,1 м, высота – 2 м. Одна сторона засыпана грунтом вровень со стеной: q=10 кН/м2, γ1 =18 кН/м3, φ1=16º.

Действие вертикальной нагрузки N1=400 кН/м, горизонтальной – Т1,1=120 кН/м.

Решение:

• Необходимо провести проверку на сдвиг.

Вычисляются нагрузки, действующие на стену. Помимо указанных в условии примера, дополнительно действует горизонтальная сила от пригруза и засыпки. Она определяется по формуле:

Высчитывается собственный вес бетонной стены (плотность 25 кН/м3):

Теперь рассчитаем вес грунта на обрезах:

Рассчитывается сдвигающая сила по формуле:

Теперь удерживающая сила (коэффициент трения 0,45)

Для проверки истинности выражения (12.5) нужно взять коэффициент условий работы и коэффициент надежности (для сооружений III уровня ответственности – 1,1).

Подставляя данные 151,4≤1*221,9/1,1=201,7, получаем результат, что сила трения больше сдвигающей силы, следовательно, устойчивость обеспечивается.

• Второй стадией проводится проверка на опрокидывание.

Выявляются горизонтальные силы, их положение относительно подошвы фундамента:

Вычисляется опрокидывающий момент, действующий от горизонтальных сил:

Вертикальные силы создают момент устойчивости относительно выбранной точки подошвы фундамента:

Проверку на опрокидывание можно вывести по коэффициенту устойчивости фундамента

Данная стена является устойчивой.