Несущая способность фундамента

В качестве основания для любого строительного сооружения традиционно выступает фундамент. От его качества и набора технических характеристик зависит не только прочность и долговечность строения, но и возможность появления дефектов в виде вертикальных и горизонтальных трещин, различных разрушений и деформаций. Чтобы избежать подобного рода неприятностей, необходимо еще на этапе проектирования правильно рассчитать несущую способность возводимого основания.

Расчет несущей способности фундамента необходимо производить как для новых зданий и сооружений на этапе их проектирования для обеспечения прочности и надежности строений, так и для тех, которые нуждаются в укреплении или ремонте.

Исследование грунта – определение исходных параметров

Перед тем, как начинать возводить тот или иной объект, необходимо сформировать проектную документацию, определив свойства и качества грунта, расположенного на стройплощадке. С этой целью проводится комплекс работ с геодезическими исследованиями почвы, в ходе которых могут производиться испытание грунтов, зондами и сваями, исследования среза покрова и опытно-фильтрационные мероприятия. Изыскания преследуют следующие цели:

• определение деформационных и прочностных показателей слоев грунта;
• оценка гидрологического состояния и режима территории застройки;
• изучение рельефа местности;
• выявление типа грунта и его характеристик;
• определение наличия грунтовых вод и глубины их залегания;
• выявление глубины промерзания почвенного покрова;
• определение степени пучинистости грунта, его подвижности.

Проведение геодезических изысканий в одинаковой мере актуально для определения несущей способности фундаментов на стадии проектирования, а также тех оснований, которые уже построены и по какой-либо причине требуют усиления или же тогда, когда осуществляется строительство нового объекта на имеющееся основание.

В ходе работ определяется уровень допустимой нагрузки, которую способен выдержать грунт, представляя собой площадь для возведения основания. Для исследования  выбираются несколько точек, которые расположены в месте строительства фундамента.

Несущая способность грунтов значительно различается и варьируется от 1,0 до 6,0 кг/см2. При этом наиболее благоприятными для строительства считаются песчаные грунты с м различной степенью зернистости, в то время, как просадочные и насыпные грунты и вовсе не подходят для застройки, не имея возможности обеспечить необходимую прочность.

После строительства здания или сооружения любой фундамент дает осадку, которая вызвана утрамбовкой грунта и его сжатием под весом сооружения. При этом основной задачей при определении свойств грунта является выявление его несущих характеристик с целью исключения просадок, которые могут повлечь разрушения, растрескивания и прочие виды деформации основания и здания в целом.

Осадка здания, как правило, контролируется специалистами и не должна выходить за пределы допускаемых величин.

В зависимости от определенных в ходе геодезических испытаний характеристик грунта, выбирается наиболее оптимальный вариант конструкции основания. Для устойчивых типов грунта это могут быть ленточные основания, для неустойчивых, влагонасыщенных и глубокопромерзающих – плитные, свайные, свайно-винтовые типы фундаментов.

Для проведения комплекса геодезических работ по определению свойств и нагрузочных возможностей грунта привлекаются специальные организации, имеющие в своем штате специалистов в области геодезии, а также поверенные средства измерения. Проектирование фундаментов производится на основании расчетов несущей способности грунта, произведенных в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83.

Несущая способность основания

По определению, несущей способностью фундамента считается величина максимально допустимой нагрузки, которую сможет выдержать основание без признаков деструкции на конкретном грунте. При этом в расчет принимается масса строительной конструкции, которая зависит от вида используемых строительных материалов, типа кровли, архитектурных особенностей здания и прочих факторов.

В определенной степени на сущую способность основания влияет целый ряд факторов, среди которых:

• разновидности и характер оказываемых нагрузок в горизонтальной и наклонной плоскости с учетом массы самой подошвы;
• габариты основания, его характеристики и материал, использованный при строительстве;
• равномерность распределения нагрузки и центра тяжести здания;
• форма основания;
• структура грунта и его свойства;
• степень однородности грунта;
• величина заглубления фундамента, его массивность;
• правильно расположение фактически построенного основания в горизонтальной плоскости;
• присутствие заглубленных мягких, осадочных пород.

Глубина заложения основания определяется исходя из данных о грунте, а именно информации о степени промерзания почвы, а также от особенностей здания. При наличии подвального или цокольного этажа фундамент будет иметь наибольшую массивность и глубину заложения. В зависимости от региона и погодных условий в зимний период ленточное основание может закладываться на глубину до 3-х метров, чтобы обеспечить максимальную устойчивость и необходимую несущую способность.

При расчете необходимой массивности фундамента необходимо учитывать вид применяемых для строительства стен материалов, вес самого основания, кровли, а также наличие снеговых нагрузок. При этом нагрузки делятся на статические, которые оказывают постоянное воздействие и динамические, меняющиеся в амплитуде. К последним относят людей, которые находятся или проживают в здании. Для устойчивости сооружения фундамент рассчитывается с запасом. 

Наиболее тяжелыми являются строения, стены, которых выполнены из кирпича и железобетона. Помимо массы стен необходимо учесть вес перекрытий и кровли, который принимается в соответствии с табличными значениями из учета среднего значения на квадратный метр. Наибольшую нагрузку оказывают также железобетонные перекрытия, шиферная кровля. В регионах с сильными ветрами, а также для зданий и строений, размещенных на открытой местности, необходимо учитывать при проектировании ветровые динамические виды повторно-кратковременных нагрузок.

Чтобы несущая способность основания с течением времени не снижалась, необходимо предусмотреть гидроизоляцию конструкции. Для этого чаще всего задействуют специальные водоотталкивающие материалы и мастики, которые наносятся на поверхность фундаментных элементов.

Если несущая способность уже готового фундамента не соответствует требуемым значениям, основание подлежит укреплению. Для этого, как правило, используются винтовые, а также свайно-винтовые конструкции, для которых расчет производится по каждой свае в отдельности. При этом имеющееся основание на момент работ подлежит частичному вскрытию. Несущая способность винтовых свай зависит от их размера и вида грунта.

Расчет несущей способности

Фундамент представляет собой разновидность строительной конструкции, которая по своему назначению предназначена для распределения нагрузки от здания на подготовленные слои грунта. В связи с этим при расчете несущей способности основания одним из ключевых параметров является несущая способность имеющегося на участке застройки грунта. Таким образом, определение несущей способности фундамента сводится к расчету минимально возможной величины площади опирания основания на грунт, при которых набор его пространственных параметров останется неизменным и не выйдет за пределы допустимых величин в ходе эксплуатации сооружения. В упрощенном варианте расчет производится по формуле:

В = М/L*G, где:

L – длина ленточного основания (при выборе в пользу данного вида фундамента),

G – несущая способность грунта, определенная в ходе геодезических исследования;

М – масса здания или сооружения с учетом всех видов статических и динамических нагрузок, примененных материалов, проживающих или находящихся людей с учетом коэффициента запаса прочности;

Параметры фундамента и несущая способность

Как выяснилось, габариты основания тесно связаны с таким параметром, как несущая способность фундамента. В связи с этим в ряде проектов могут находить применение комбинированные решения, предусматривающие несколько различных видов оснований. При этом производить расчет несущей способности для каждой отдельной подошвы необходимо индивидуально. По правилам проектирования с россом значения ширины основания возрастет и объем почвы, способной вызвать разрушение конструкции. Поэтому при наличии равномерного грунта основания с меньшим значением ширины являются более устойчивыми. Помимо этого параметр несущей способности зависит от формы основания и примененных в ходе его строительства материалов. Главной задачей проектанта при выборе основания и расчете здания является необходимость равномерного распределения массы сооружения.

Одним из критериев прочности и устойчивости, который оказывает непосредственное влияние на несущую способность любого основания, является глубина заложения фундамента. Глубже размещенные конструкции имеют меньшую склонность к деструкции, чем мелкозаглубленные основания. Это обусловлено свойствами грунтов на различных глубинах, которые обусловлены глубиной их промерзания и степень пучинистости. При строительстве на песчаных грунтах и почвах, в которых присутствует песок в тех или иных объемах, увеличение глубины заложения основания приводит к снижению возможной осадки в процессе эксплуатации и повышению несущей способности. 

В случае если глубина основания выбрана не верно, происходит деформация грунта. Как правило, это выражается в первоначальном укрупнении грунта, расположенного под подошвой с последующим его выходом  виде клиньев по разные стороны основания. В данном случае даже незначительные смещения почвенного покрова могут привести к образованию трещин в основании и разрушению здания. Помимо этого в грунте могут наблюдаться сдвиги и провалы. Разрушить подобным образом фундамент глубокого заложения попросту невозможно. Любые перемещения грунта на глубине могут приводить лишь к локальным его уплотнениям, которые не способны привести к деформационным процессам.

Таким образом, расчет несущей способности фундамента должен учитывать все возможные факторы формы, размера, массы, свойств грунта, чтобы обеспечить надежность основания в течение всего периода эксплуатации здания. Отталкиваясь от полученных данных о свойствах грунта, производится выбор материалов для строительства стен, перекрытий, а также кровли из учета возможностей несущих свойств основания и равномерного распределения массы.

Определение несущей способности фундамента

7 ноября, 202125 июля, 2019 от admin

Расчет несущей способности фундамента

При составлении расчетной схемы фундамента использовалась представленная копия существующего поэтажного плана здания.

Нагрузка на колонну от покрытия и перекрытия:

• На крайние колонны: 1240х6х3.55=26412 кг
• На средние колонны: 1240х6х5. 93=44119 кг
• Нагрузка от колонны: 87х9.5=827 кг
• Нагрузка от стеновых сендвич-панелей: 25.5х6х9=1377 кг
• Нагрузка от существующего фундамента: 1.5х2500х0.4=1500 кг
• Нагрузка от транспорта: 1750/1.75=1000 кг/м
• Нагрузка от конструкции пола и временная длительная нагрузка: (120+400)х1х1=520 кг

Общая нагрузка на фундамент:

• На крайние колонны: N=26412+827+1377+1500+1000+520=31636 кг
• На средние колонны: N=44119+827+1500+520= 46966 кг

Среднее давление под подошвой фундамента с учетом коэффициента надежности по ответственности здания gn=1.0 (ст. 16, п. 7 ФЗ от 30.12.2009 N 384-ФЗ):

• На крайние колонны: r=N/b=31636/(0.4х1)=79090 кг/м2=79.09 т/м2
• На средние колонны: r=N/b=46966/(0.4х1)=117415 кг/м2=117.415 т/м2
• Предварительное расчетное сопротивление Ro=150 кПа (табл. В.9 СП 22.13330.2011)

На крайние колонны:

Тип фундамента Столбчатый на естественном основании

1. Исходные данные:

• Тип расчета: Проверить заданный
• Способ расчета: Расчет основания по деформациям
• Способ определения характеристик грунта: Фиксированное R
• Конструктивная схема здания: Жёсткая при 1.5<(L/H)<2.5
• Наличие подвала: Нет
• Исходные данные для расчета — 150 кПа
• От подошвы до кровли расчетного слоя грунта (hg) 1.5 м
• Высота фундамента (H) 1.5 м b= 1 м, a= 0.4 м
• Глубина заложения фундамента от уровня планировки (без подвала) (d) — 1.5 м
• Усредненный коэффициент надежности по нагрузке — 1.15

2. Выводы:

• По расчету по деформациям коэффициент использования K= 0.72
• Расчетное сопротивление грунта основания 150 кПа
• Максимальное напряжение в расчетном слое грунта в основном сочетании 107.61 кПа
• На средние колонны:
• Тип фундамента Столбчатый на естественном основании

1. Исходные данные:

• Тип расчета: Проверить заданный
• Способ расчета: Расчет основания по деформациям
• Способ определения характеристик грунта: Фиксированное R
• Конструктивная схема здания: Жёсткая при 1.5<(L/H)<2.5
• Наличие подвала: Нет
• Исходные данные для расчета — 150 кПа
• От подошвы до кровли расчетного слоя грунта (hg) 1.5 м
• Высота фундамента (H) 1.5 м b= 1 м, a= 0.4 м
• Глубина заложения фундамента от уровня планировки (без подвала) (d) — 1.5 м
• Усредненный коэффициент надежности по нагрузке — 1.15

2. Выводы:

• По расчету по деформациям коэффициент использования K= 0.88
• Расчетное сопротивление грунта основания 150 кПа
• Максимальное напряжение в расчетном слое грунта в основном сочетании 132.58 кПа

Вывод: несущая способность существующих фундаментов от предварительных проектируемых нагрузок обеспечена. Однако обращаем на Ваше внимание, что для окончательного определения несущей способности фундамента необходимо выполнить геодезические изыскания и разработать проектную документацию. В связи с конструктивной особенностью проектирования баз наружных колонн возникнет необходимость местного увеличения ширины фундамента или устройства нового фундамента в местах опирания стальных колонн в рамках существующих фундаментов.

Несущая способность — Несущая способность фундамента — это максимальная нагрузка, которая может быть приложена к фундаменту до того, как произойдет его разрушение или неконтролируемая деформация.

Чтобы было ясно, не существует одной «несущей способности» для насыпи. Несущая способность мелкозаглубленного фундамента, сооруженного на насыпи или в насыпи, может быть определена путем изучения конкретных параметров:

• размеров фундамента;
• глубина фундамента;
• толщина и прочность на сдвиг слоя заливки;
• природный грунт основания, если он присутствует в зоне влияния основания; и
• уровень грунтовых вод.

 

Проверка несущей способности грунта для мелкозаглубленного фундамента или стопки контейнеров может быть легко выполнена и редко приводит к проблемам с несущей способностью, при условии, что толщина слоя наполнителя достаточно велика, чтобы предотвратить продавливание желоба или другие виды отказов.

Для временных условий во время строительства свежий материал наполнителя должен быть в состоянии поддерживать строительные машины и оборудование. Влажные связные грунты особенно склонны к быстрому размягчению и поэтому могут быть не в состоянии выдержать колесную или гусеничную технику, то есть участок легко превращается в трясину. Очень важно проверить транспортабельность свежей заливки.

Несущая способность может стать проблемой, если грунт состоит из связного мелкозернистого материала.

В принципе, можно использовать максимальную прочность на сдвиг в недренированном состоянии; хотя инженер-геотехник должен использовать свое «инженерное суждение», чтобы решить, когда использование переформованной недренированной прочности на сдвиг будет более подходящим. Это может произойти, когда почва сильно нарушена работами или движением транспорта.

Испытание на зонную нагрузку

Прямым методом проверки несущей способности в полевых условиях является выполнение испытания на зонную нагрузку (ZLT), которое, по сути, является испытанием на большую плиту (PLT). В таком испытании фундамент с более реалистичными размерами (например, плита 3 м на 3 м) нагружается до проектной нагрузки или более, при этом отслеживается поведение осадки.

Фактический коэффициент безопасности по отношению к предельному состоянию можно проверить с помощью расширенных процедур нагрузки. Также возможен прогноз долгосрочного поведения путем экстраполяции осадки, измеренной в течение 24-часового или даже 48-часового интервала времени.

При использовании испытаний на зональную нагрузку спецификации часто требуют, чтобы осадка под расчетной нагрузкой была ограничена определенной долговременной осадкой (например, 25 мм). Фактически это косвенная характеристика несущей способности, поскольку ограниченная осадка может быть гарантирована только при соблюдении несущей способности. В этом случае коэффициент запаса по несущей способности не указывается.

Модели для коэффициентов безопасности

В случае выбора коэффициента запаса допустимые деформации определяются косвенно. Меньший запас прочности в принципе приводит к большим деформациям. Общий более высокий коэффициент безопасности против потери несущей способности обычно приводит к конструкции, в которой деформации остаются ограниченными общепринятыми допустимыми значениями. Однако, когда деформации менее важны, может быть приемлемым меньший коэффициент безопасности.

Модели, известные как методы конечных элементов, используются для проверки несущей способности, но даже в этом случае трудно определить максимальную нагрузку, которая может быть приложена к фундаменту с заданными размерами. По сути, метод конечных элементов — это метод, в котором напряженно-деформированное поведение грунта моделируется максимально реалистично. Однако отказ происходит, если деформации становятся неконтролируемыми, и это невозможно смоделировать с помощью стандартного программного обеспечения для методов конечных элементов.

Обычно выбираются размеры и уровень фундамента и прикладывается расчетная нагрузка. Затем рассчитывается запас прочности до тех пор, пока деформации не станут нереально большими из-за нестабильности системы.

В качестве альтернативы, нагрузка на фундамент может быть увеличена до тех пор, пока не произойдет разрушение, при использовании фактических расчетных характеристик прочности на сдвиг для слоев грунта в модели.

Такой анализ отказов с использованием методов конечных элементов требует дополнительного внимания, поскольку в соответствии с применимыми стандартами для постоянных и временных нагрузок применяются разные коэффициенты нагрузки соответственно.

Калькулятор несущей способности свободного грунта для расчета фундамента с использованием метода Терцаги для расчета опорной нагрузки

Как спроектировать фундаментный фундамент?

Для устойчивости всех конструкций требуется фундамент, и эти фундаменты выдерживают статическую нагрузку (собственный вес) конструкции и любые приложенные динамические нагрузки. Фундаменты могут быть мелкозаглубленными или глубокими, примером мелкозаглубленного фундамента является простой фундамент. Нагрузки, действующие на конструкцию, следуют по пути нагрузки в фундаменты, где они разрешаются в грунт. Фундамент должен опираться на твердые и устойчивые слои, и для обоснования фундамента требуется расчет несущей способности. Фундаменты обычно изготавливают из железобетона.

Несущая способность — это максимальное давление, которое может выдержать грунт до разрушения. Инженеры-геотехники используют свое понимание несущей способности для проектирования фундаментов, чтобы безопасно передавать нагрузки (например, собственный вес конструкции) от фундаментов зданий в нижележащие грунты.

Что такое выход из строя земной опоры?

Фундаменты зданий передают на подстилающий грунт два типа сил посредством опорного давления грунта:

• Напряжение сжатия: Создается за счет сил, действующих перпендикулярно ориентации слоев почвы, уплотняющих почву и сжимающих ее вместе. Разрушение при сжатии происходит, когда сжимающее напряжение превышает прочность грунта на сжатие.
• Напряжение сдвига: Напряжения сдвига действуют вдоль плоскости по периметру фундамента, и разрушение при сдвиге происходит, когда напряжение сдвига по этому периметру превышает прочность грунта на сдвиг.

Что такое выход из строя опорного подшипника?

Фундаменты зданий передают на нижележащий грунт два типа сил посредством опорного давления грунта:

• Напряжения сжатия: Создаются силами, действующими перпендикулярно ориентации слоев грунта, уплотняя грунт и сжимая его вместе . Разрушение при сжатии происходит, когда сжимающее напряжение превышает прочность грунта на сжатие.
• Напряжение сдвига: Напряжения сдвига действуют вдоль плоскости по периметру фундамента, и разрушение при сдвиге происходит, когда напряжение сдвига по этому периметру превышает прочность грунта на сдвиг.

Каковы режимы отказа несущей способности?

Существует три типа условий нарушения несущей способности:

• Разрушение при продавливании: Это обычно происходит в рыхлых песках, слоях прочного грунта, подстилаемых слабым грунтом, и в слабых глинах, которые нагружаются медленно. Разрушение в этих условиях развивается постепенно из-за высокой сжимаемости этих грунтов. Во время этого режима отказа на уровне земли практически не наблюдается нарушений, но конструкции испытывают высокие уровни осадки.
• Местное разрушение при сдвиге: Этот вид разрушения возникает в несвязных грунтах и ​​грунтах рыхлой и средней плотности. Этот метод имеет четко определенную поверхность сдвига, которая развивается под землей, которая может быть или не быть видна на поверхности земли. Местное разрушение при сдвиге происходит постепенно, поскольку основание продолжает испытывать осадку и движение вдоль плоскости сдвига.
• Общее разрушение при сдвиге: Этот тип разрушения обычно возникает в плотных несвязных грунтах и ​​недренированных связных грунтах, общее разрушение при сдвиге характеризуется четко определенной плоскостью сдвига с явными нарушениями на поверхности земли. Этот тип отказа возникает внезапно и может вызвать значительное вращение конструкции.

Как рассчитать допустимое давление на грунт?

Расчет допустимого давления на грунт под фундаментом возможен с использованием коэффициентов несущей способности Терцаги:

Общее уравнение несущей способности Терцаги может быть записано как q _f = cN _c S _c + yDN _q + 0,5yBN _y S _y

1. Определить профиль фундамента: Определить ширину (B) фундамента, его глубину (D) и рассчитать интенсивность нагрузки, действующей на грунт в основании фундамента (q _f ) и дополнительную вскрышу (yD).
2. Определите зоны разрушения: Уравнения Терцаги учитывают только общий случай сдвига и три зоны разрушения. Зона продавливающего сдвига существует непосредственно под фундаментом. Зона радиального сдвига существует от краев фундамента наружу. Зона линейного сдвига находится за пределами зоны радиального сдвига.

3. Расчет коэффициентов формы Терцаги: Факторов формы Терцаги S _c и S _y можно легко рассчитать с помощью приведенных ниже таблиц коэффициентов формы Terzaghi:

4. Расчет коэффициентов несущей способности Терцаги: Для расчета коэффициентов несущей способности можно использовать следующую таблицу:

5. Повторите расчет: Расчет следует повторить для каждого слоя грунта под фундаментом с учетом распределения нагрузки по модулю грунтового основания или углу трения для рассеивания нагрузки.