Теоретичний матеріал до теми 13
4. Фундаменти й фундаментні балки.
Фундаменти
Фундаменти влаштовують для передавання навантажень від конструкцій будівель і споруд, встановленого у них технологічного та іншою обладнання та корисних навантажень на ґрунти основи. Основа, яка сприймає ці навантаження, зазнає, як правило, нерівномірних деформацій, що викликає появу у конструкціях додаткових переміщень і зусиль.
Проектування основ і фундаментів виконують у відповідності до чинних норм. При цьому необхідно:
- забезпечити міцність та експлуатаційні вимоги до будівель і споруд (загальні та нерівномірні деформації не повинні перевищувати допустимі величини);
- максимально використати міцнісні та деформативні властивості ґрунтів основи, а також міцність матеріалів фундаментів;
- досягти мінімальну вартість, матеріалоємність та трудомісткість, скорочувати терміни будівництва.
Додержання цих положень ґрунтується на виконанні зазначених нижче вимог:
- комплексному урахуванні інженерно-геологічних і гідрогеологічних умов будівельного майданчика при виборі типу основ і фундаментів, а також урахуванні конструктивних і технологічних особливостей споруди та її чутливості до нерівномірних осідань; методів виконання робіт при підготовці основ, улаштування фундаментів і підземної частини будівлі або споруди;
- розрахунку і проектуванні основ і фундаментів з урахуванням сумісної роботи системи «основа – фундамент – конструкції споруди».
Таким чином, проектування основ і фундаментів має вмішувати в собі обґрунтований розрахунком вибір типу основи (природна або штучна); типу конструкції, матеріалу та розмірів фундаменту (глибина закладання, розміри площини підошви тощо), а також заходів з необхідності зменшення впливу деформацій основ на експлуатаційну придатність і довговічність споруди.
За способом влаштування фундаменти бувають збірні й монолітні. Під колони каркасу передбачають окремі фундаменти з підколонниками стаканного типу (рис.4.1), а стіни спирають на фундаментні балки.
Залежно від величини навантаження на колони, її перерізу та глибини закладення фундаментів застосовують кілька типорозмірів фундаментів. Висота фундаментних блоків 1,5 і від 1,8 до 4,2 м з градацією через 0,6 м; розміри підошви блоків у плані від 1,5х1,5 м і більше з модулем 0,3 М; розміри підколонника в плані від 0,9х0,9 до 1,2х7,2 м з модулем 0,3 М. Глибина стакана становить 0,8; 0,9; 0,95 і 1,25 м, а висота сходів – 0,3 і 0,45 м.
Збірні фундаменти можуть складатися з одного блоку (підколонника з стаканом) або бути складеними з підколонника й опорної фундаментної плити. Влаштування збірних фундаментів за витратою бетону, вартістю й працевитратами більш економічне від монолітних.
Для зменшення маси і зниження витрати сталі застосовують збірні ребристі або порожнисті фундаменти (рис.4.1).
Фундаменти з підколонниками пенькоподібного типу влаштовують під залізобето нні колони великого перерізу або під стальні колони (рис.4.1,е). Пеньок, що є елементом колони, влаштовують під час робіт нульового циклу. Пеньок з фундаментом і колону з пеньком з’єднують зварюванням випусків арматури й бетоном, який нагнітають у шви.
Пальові фундаменти влаштовують при заляганні біля поверхні землі слабких грунтів і наявності грунтових вод (рис.4.1,в). Головні частини паль зв’язують монолітним або збірним залізобетонним ростверком, який водночас є підколонником.
Для скорочення типорозмірів колон верх фундаментів незалежно від глибини закладення підошви рекомендується розташовувати на позначці 0,15 м, тоб то на 15 см нижче від позначки чистої підлоги цеху. Їх установлюють на підмазку з цементного розчину завтовшки 20мм.
Рис.4.1. Типи фундаментів промислових будівель:
а – монолітний; б – збірний складений; в – пальовий; г – збірний ребристий; д –
збірний порожнистий; е – з підколонником типу пенька; 1 – ростверк; 2 - паля
Навісні панелі стін допускається спирати на шар набетонки, передаючи їхню масу безпосередньо на підколонники.
По фундаментних балках укладають 1-2 шар и гідроізоляційного матеріалу, а щоб запобігти деформації балок внаслідок можливого здимання грунтів, знизу і з боків передбачають підсипку з шлаку, крупнозернистого піску або цегляного щебню.
Несучі стіни в будівлях безкаркасних або з неповним каркасом спирають на стрічкові фундаменти, які рекомендується робити із збірних елементів аналогічно громадським будівлям. Це дає з могу вести монтаж колон при засипаних котлованах після влаштування підготовки під підлогу й прокладання підземних комунікацій, тобто після робіт нульового циклу.
Колони з фундаментами з’єднують різними способами. Найпоширенішим є жорстке кріплення за допомогою бетону.
Стіни каркасних будівель спирають на фундаментні балки, укладені між підколонниками фундаментів на спеціальні залізобетонні стовпчики або на консолі колон. Фундаментні балки захищають підлогу від продування в разі осідання вимощення. Залізобетонні фундаментні балки при кроці колон 6 м залежно від розмірів підколонників і способів опертя мають довжину від 5,95 до 4,3 м, а переріз – тавровий і трапецієвид ний.
Висоту балок під самонесучі стіни з цегли, малих блоків і панелей беруть 450 мм, а під навісні панелі – 300 мм.
Якщо крок колон 12 м, застосовують в основному балки трапецієвидного перерізу 400 і 600 мм заввишки та 11,95-10,2 завдовжки. Балки монтують так, щоб їхній верх був на 30 мм нижче від рівня підлоги.
Фундаменти мілкого закладання
До них відносять фундаменти, які мають відношення висоти до ширини підошви, що не перевищує 4, і передають навантаження на ґрунти основи переважно через підошву.
Схема фундаменту мілкого закладання наведена на рис. 4.2. Підошвою фундаменту називають його нижню площину, яка стикається з основою; верхню площину фундаменту, на яку опираються наземні конструкції, називають уступом. За ширину фундаменту приймають мінімальний розмір підошви b, а за довжину – найбільший розмір l. Висота фундаменту hf – це відстань від підошви до уступу, а відстань від поверхні планування до підошви d називають глибиною закладання фундаменту.
Рис. 4.2. Схема фундаменту мілкого закладання: 1– фундамент; 2 – колона; 3 – уступ фундаменту
Як матеріал для фундаментів використовують бетон або залізобетон (монолітний або збірний), бутобетон, кам'яні матеріали (цегла, бут, пилені блоки з природних каменів). У окремих випадках при улаштуванні фундаментів тимчасових споруд допускається використовувати дерево або метал.
За формою фундаменти мілкого закладання поділяють на окремі, стрічкові, суцільні та масивні (рис.4.3).
Рис. 4.3. Основні типи фундаментів мілкого закладання: а – окремий фундамент під колону; б – окремі фундаменти під стіну; в – стрічковий фундамент під стіну; г – теж, під колону; д – суцільний (плитний) фундамент
Розрахунок фундаменту мілкого закладання починається з попереднього вибору його конструкції та основних розмірів, до яких відносять глибину закладання, розміри і форму підошви. Потім для прийнятих розмірів фундаменту виконують розрахунки основи за граничними станами.
При виборі типу та глибини закладання фундаменту додержуються загальних правил:
- мінімальну глибину закладання фундаменту приймають не менше 0,5 м від спланованої поверхні території;
- глибина закладання фундаменту у несучий шар ґрунту повинна бути не меншою за 100 ... 150 мм;
- за можливістю треба закладати фундаменти вище рівня підземних вод – для виключення необхідності застосування водозниження при виконанні робіт;
- у шаруватих основах усі фундаменти треба переважно зводити на одному ґрунті або на ґрунтах з близькою міцністю та стискуваністю.
Глибину закладання фундаменту з умови промерзання ґрунтів призначають у залежності від їх виду, стану, початкової вологості та рівня підземних вод у період промерзання.
Глибину закладання внутрішніх фундаментів опалювальних будівель призначають незалежно від глибини промерзання, якщо під час будівництва і експлуатації біля фундаментів виключено промерзання ґрунтів. У неопалювальних будівлях глибина закладання фундаментів для ґрунтів, здатних до здимання, приймають не менше глибини промерзання. Розрахункова глибина сезонного промерзання ґрунту:
df = kh dfn
де: df – коефіцієнт, який враховує вплив теплового режиму споруди, його приймають для зовнішніх фундаментів за спеціальними таблицями, для зовнішніх і внутрішніх фундаментів неопалювальних споруд таким, що дорівнює 1,1;
dfn – нормативна глибина сезонного промерзання ґрунту, м.
Нормативну глибину сезонного промерзання ґрунту встановлюють за даними багаторічних спостережень (не менше 10 років) за фактичним промерзанням ґрунтів. При відсутності даних багаторічних спостережень нормативну глибину сезонного промерзання фунтів визначають на основі теплотехнічних розрахунків або у відповідності до чинних норм.
Конструктивні особливості будівлі також впливають на глибину закладання фундаменту. У будівлях з підвалом або напівпідвалом, а також біля приямків або каналів, які примикають до фундаментів, глибину закладання фундаменту приймають на 0,2...0,5 м нижче відмітки підлоги у цих приміщеннях, що передбачає запас на висоту фундаментного блоку або конструкції приямку (рис. 4.4 а).
Рис. 4.4. Вибір глибини закладання фундаменту в залежності від конструктивних особливостей споруди: а – будівля з підвалом у різних рівнях та приямком; б – зміна глибина закладання стрічкового фундаменту; 1 – фундаментні плити; 2 – приямок; 3 – трубопровід; 4 – стіна будівлі; 5 – підвал; 6 – ввід трубопроводу; 7 – стінові блоки
Фундаменти споруди або її відсіку намагаються закладати на одному рівні. При необхідності закладання суміжних відсіків на різних рівнях необхідне виконання такої умови. Різниця відміток закладання розташованого поруч окремих фундаментів (або окремого і стрічкового) при відстані у світлі, а між найбільш близькими точками не повинна перевищувати ∆h (рис. 4.4 а):
∆h = a (tgφ1+c1/p) (15.2)
де: φ1 – розрахункове значення кута внутрішнього тертя ґрунту, град,
с1, – розрахункова питома сила зчеплення ґрунту, кПа;
р – середній тиск під підошвою розташованого фундаменту, кПа.
При виконанні умови (15.2) виключено послаблення основи сусіднього фундаменту і обпирання нового фундаменту на насипний ґрунт раніше всипаного котловану. Ця умова поширюється і на випадок визначення допустимої різниці відміток закладання фундаментів споруди та поруч розташованих каналів, тонелей тощо.
При наявності комунікацій (труби водопроводу, каналізації тощо) підошва фундаменту повинна бути закладена нижче за їх увід. За цієї умови труби не зазнають додаткового тиску від фундаменту, а фундаменти не опираються на насипний фунт траншей, які виконують для прокладання труб. Крім того у випадку аварії зменшується зона замочування ґрунту, а при необхідності заміни труб не порушуються ґрунти основи.
Перехід від однієї відмітки закладання стрічкового фундаменту до іншої виконують уступами. Висоту уступу у випадку збірного фундаменту приймають такою, що дорівнює висоті стінового блоку (рис. 4.4 б). При улаштуванні монолітного стрічкового фундаменту співвідношення між висотою і довжиною уступу приймають 1:2, а у нев’язких – 1:3 при висоті уступу, який не перевищує 0,5...0,6 м.
Форма підошви фундаменту визначається конфігурацією у плані надземної конструкції.
При розрахунку фундаменту враховують не тільки зовнішні (активні) навантаження, але і реактивний опір основи («відпір» ґрунту). Розрахунок фундаменту виконують у залежності від розрахункової схеми, виходячи з таких умов:
- осідання будівлі або споруди (у тому числі різниця між осіданнями окремих частин) не повинно перевищувати нормативних величин, для чого фундаменти розраховують за деформаціями ґрунту основи;
- напруження у фунтах основи не повинні перевищувати розрахунковий тиск на ґрунт основи, виходячи з чого визначають розміри площі підошви фундаменту;
- напруження у матеріалі фундаменту не повинні викликати його пошкодження, для чого виконують розрахунок міцності матеріалу фундаменту;
- під дією горизонтальних сил і моментів фундамент може втратити стійкість положення (зсунутися у напрямку дії горизонтальних сил або перекинутися у напрямку дії моменту). Для попередження цього явища виконують розрахунок на стійкість проти ковзання та перекидання.
Пальові фундаменти
У випадках, коли на поверхні залягають шари слабих ґрунтів, які не мають достатньої несучої здатності, щоби правити за основу для фундаментів мілкого закладання споруди, виникає необхідність передавання навантаження на більш щільні ґрунти, які розташовані на деякій глибині. У цих умовах найчастіше удаються до улаштування фундаменти з паль.
Палею називають занурений у готовому вигляді або виготовлений у ґрунті стержень, призначений для передавання навантаження від споруди на ґрунт основи. Групи або ряди паль, об'єднані зверху розподільною плитою або балкою, утворюють пальовий фундамент. Розподільні плити або балки, виконані, як правило, з монолітного або збірного залізобетону, називають ростверками. Ростверки сприймають, розподіляють та передають на палі навантаження від розташованої на фундаменті споруди. Якщо ростверк заглиблений у ґрунт або його підошва розташована безпосередньо на поверхні ґрунту, то його називають низьким пальовим ростверком, якщо підошва ростверку розташована вище поверхні ґрунту – високим пальовим ростверком (рис. 4.5).
Рис 4.5 Типи пальових ростверків: а, б – низький; в – високий
На сьогодні у будівництві використовують більш 150 типів паль та їх конструктивних видів, які прийнято класифікувати за двома основними ознаками: за характером передавання навантаження на ґрунт і за умовами виготовлення паль.
За характером передавання навантаження на ґрунт палі поділяють на палі-стояки і висячі палі.
До паль-стояків відносять палі, які прорізують товщу слабких ґрунтів і опираються на практично нестисливі ґрунти (крупно уламкові ґрунти з піщаним заповнювачем, глини твердої консистенції). Паля-стояк практично усе навантаження на ґрунт передає через нижній кінець, оскільки при малих вертикальних переміщеннях палі не виникають умови для появи сил тертя на її бічній поверхні (рис. 4.6 а).
Рис. 4.6 Схема передавання навантаження палями на ґрунти основи
До висячих паль відносять палі, які опираються на стисливі ґрунти. У цьому випадку навантаження передається як боковою поверхнею (за рахунок сил тертя), так і її нижнім кінцем (рис. 4.6 б).
Палі, які заглиблюють у ґрунт у готовому вигляді, в залежності від матеріалу, з якого вони виготовлені, поділяють на залізобетонні, дерев’яні, сталеві та комбіновані.
Залізобетонні палі, які отримали найбільше поширення у практиці будівництва, поділяють:
- за формою поперечного перерізу – на призматичні, циліндричні, з похилими бічними гранями (пірамідальні, трапецуваті, ромбуваті), палі з розширеною п’ятою;
- за конструктивними особливостями – на палі суцільні та складені; найчастіше у теперішній час використовують призматичні палі суцільного квадратного перерізу, квадратного перерізу з круглою порожниною і порожнисті циліндричні (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Конструкція залізобетонних паль: а – призматична з поперечним армуванням стовбура; б – теж, без поперечного армування; в – теж, з круглою порожниною; г – пола кругла; 1 – стропильна петля; 2 – арматурні сітки голови; 3 – поздовжня арматура; 4 – спіраль вістря; 5 – поперечна спіральна арматура
Дерев’яні палі найчастіше уявляють собою звичайну колоду із загостре- ним нижнім кінцем. Верхній кінець палі обладнують сталевим кільцем – бу- гелем, який захищає його від розтрощування під час забивання. Недоліками них паль є невелика несуча здатність, ускладнення при заглибленні у щільні фунти та небезпека загнивання в умовах змінної вологості. Тому дерев'яні палі мають обмежене застосування.
Сталеві палі поділяють на трубчасті та шпунтові. Трубчасті палі виготовляють зі стандартних сталевих труб діаметром 0,2...0,8 м, шпунтові – зі сталевою шпунту різного профілю. Як сталеві палі використовують також двотаврові балки, швелери та інші прокатні профілі. Якщо після заглиблення у ґрунт сталеву трубчасту палю заповнюють бетоном, її називають трубобетонною.
Перевагою сталевих паль с можливість нарощування зварюванням їх довжини у мірі заглиблення у ґрунт, основним недоліком – схильність до корозії особливо у агресивних середовищах. Сталеві палі рекомендують застосовувати у складних для забивання фунтових умовах (наявність валунів, гальки тощо).
Комбіновані палі уявляють собою палі, складені по довжині з двох різних матеріалів. Найчастіше – це комбінації дерев'яної частини, яку розмішують нижче рівня підземних вод з бетонною або залізобетонною частиною. Можливі сполучення залізобетонних оболонок великого діаметра у верхній частині з металевими або залізобетонними палями унизу.
Палі, які виготовляють у ґрунті (набивні палі), виконують з бетону, залізобетону або цементно-піщаного розчину. Конструкція набивних паль, які, як правило, циліндричної форми, може передбачати розширення нижнього кінця, що значно підвищує їх несучу здатність.
За способом виготовлення набивні палі можна поділити на три основних типи: палі без оболонки, палі з оболонкою, яку вилучають з ґрунту, та палі з оболонкою, яку не вилучають з фунту.
Палі без оболонок застосовують у зв’язаних сухих та мало вологих ґрунтах, де можна робити буріння без кріплення стінок свердловин. Виготовлення палі виконують у такому порядку: у ґрунті буровою установкою пробурюють свердловину і, якщо це передбачено проектом, спеціальною фрезою-розширювачем розбурюють порожнину для улаштування п’яти палі. У необхідних випадках, у готову свердловину встановлюють арматурний каркас (рис. 4.8). Потім свердловину бетонують методом вертикально переміщуваної труби (ВПН). Подану у свердловину суміш ущільнюють за допомогою вібратора, який закріплюють на бетонолітній трубі, яку вилучають зі свердловини у міру бетонування. Після закінчення бетонування у спеціальному інвентарному кондукторі формують чільник палі. За такою технологією виготовляють палі та бурові опори діаметром 0,4... 1,2 м довжиною до 30 м.
Рис. 4.8 Послідовність виготовлення набивних паль без оболонок: а – буріння свердловини; б – влаштування розширення механічним способом; в – встановлення арматурного каркасу; г – опускання до свердловини бетонолітної труби; д – заповнення свердловини бетонною суміщу; е – виймання бетонолітної труби з віборцією; ж – формування голови палі в інвентарному кондукторі
Розрахунок несучої здатності пальових фундаментів для паль-стояків виконують за умови того, що втрата їх несучої здатності може статися або внаслідок руйнування палі, або за результатами руйнування ґрунту під її нижнім кінцем. За несучу здатність палі приймають меншу величину.
Розрахунок несучої здатності вертикально навантажених висячих паль виконують, як правило, тільки за міцністю ґрунту, оскільки міцність матеріалу палі завжди явно вища. Несучу здатність палі на горизонтальне навантаження визначають методом випробувань спробним навантаженням або одним з математичних методів розрахунку.
Фундаментні балки
Стіни промислових будівель каркасного типу при фундаментах, що стоять окремо, спираються на фундаментні балки, укладені на бетонні стовпчики або на верхній уступ фундаментів. Довжина фундаментних балок визначається відстанню у просвіті між верхніми уступами суміжних фундаментів. У разі глибокого закладання фундаментів балки опираються на консолі колон, а їхня довжина визначається відстанню між осями колон.
Для кроку колон 6 м застосовують балки трапецуватого і таврового перерізів заввишки 450 мм і завширшки відповідно по верху 200 або 300 мм і 400 або 520 мм, по низу 160 або 200 і 200 або 250 мм. Для кроку колон 12 м застосовують балки трапецуватого перерізу заввишки 400 або 600 мм і завширшки по верху 300 або 400 мм і по низу 240 мм (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Фундаментні балки: а – при кроці колон 6 м; б – попередньо напружені при кроці колон 12 м; в – армування опорної частини попередньо напруженої балки; 1 – попередньо напружена арматура; 2 – зварний каркас; 3 – зварна коритувата сітка
Балки виготовляють з бетону класів С15/20, С20/25, С25/30.
Армування. Балки завдовжки 6 м армують зварними каркасами, поздовжні стержні яких виготовляють зі сталі класу А-ІІІ, поперечні – зі сталі класів А-І чи Вр-І; балки завдовжки 12 м – попередньо напружуваною арматурою зі сталі класу А-ІІІв та зварними каркасами (рис. 4.9).
Статичний розрахунок. Розрахунок балок під самонесучі стіни заввишки до 15 м із дрібних каменів передбачає три випадки завантажування балок: у період зведення будівлі, під час кладки стін методом заморожування і в стадії експлуатації.
У стадії зведення стін балки розраховують на навантаження від їхньої ваги та ваги свіжої кладки стіни, яка еквівалентна поясу кладки заввишки 1/3 прольоту балки для цегляної стіни і 1/2 прольоту балки, якщо стіни роблять із блоків. Якщо в стіні над фундаментною балкою є просвіти, балки розраховують у стадії зведення стіни на навантаження від ваги кладки до верху перемичок над вікнами першого поверху.
При зведенні стін способом заморожування еквівалентне навантаження приймають від пояса кладки по висоті, що дорівнює прольоту балки.
На стадії експлуатації балки розраховують як навантажені опорними реакціями від вищерозміщеної кладки. Опорні реакції прикладають на відстані 0,4 а (а – довжина опирання балки) від грані опори.
Для стін із залізобетонних панелей фундаментні балки розраховують при наявності цокольної панелі на навантаження від власної ваги; якщо цоколь зроблено з цегляної кладки, – на навантаження від ваги балки, цоколя заввишки 2,4 м та рам зі склом.
Переріз балок та арматуру добирають залежно від зусиль М та Q від найневигіднішого завантаження.