§ 4. Расчет фундаментов на осевые и внецентренные нагрузки

После определения необходимой глубины заложения фундамента, расчетных температур и нормативных давлений на грунт расчет фундамента сводится к определению конструктивных размеров его элементов.

Рис. III-27. Расчетные схемы фундаментов. а, б - одноступенчатые фундаменты; в - многоступенчатые фундаменты

При расчете на осевые нагрузки площадь подошвы фундамента определяется из условия обеспечения несущей способности мерзлого основания (от нормативных нагрузок) с учетом способа выполнения обратной засыпки. Расчетные схемы приведены на рис. III-27.

В частности, при обратной засыпке грунта без уплотнения площадь подошвы фундамента

(III-35)

где Q^H - нормативная нагрузка в т;

γ_об.с - средний объемный вес грунта в ^т/_м³ с учетом веса фундамента;

h_M - глубина заделки фундамента в мерзлый грунт в м;

H- расчетная мощность деятельного слоя в м;

R^H - нормативное давление на вечномерзлый грунт в ^т/_м².

В районах со сливающимся деятельным слоем при условии заполнения пазух между башмаками и стенками котлована талым грунтом с уплотнением допускается увеличение, несущей способности основания за счет реактивных сил смерзания боковых граней нижней ступени башмака с грунтом. В этом случае площадь подошвы одноступенчатого фундамента

(III-36)

где km - произведение коэффициентов однородности и условий работы, принимаемое равным 0,6-0,7;

n - средний коэффициент перегрузки для нагрузок от сооружения;

U_Ф - периметр подошвы фундамента в м;

h_б - высота нижней ступени башмака в м;

R^н_сд - нормативное сопротивление сдвигу мерзлого грунта в ^т/_м² посередине высоты нижней ступени башмака, определяемое в зависимости от максимальной температуры.

Это нормативное сопротивление

(III-37)

Конструктивные размеры фундамента, его армирование и сопряжения элементов рассчитываются на реактивные силы основания; при этом силы, выпучивающие фундамент, включаются в основные нагрузки.

Внецентренная нагрузка вызывает нормальные реактивные давления не только на подошву фундамента, но и на его боковые грани. Кроме нормальных, на контактах фундамента с грунтом возникают также касательные реакции, обусловленные смерзанием. Реологические свойства мерзлого грунта позволяют полностью использовать нормативные характеристики прочности по всей поверхности контакта, однако в расчете учитываются только главные составляющие реакции основания- нормальные по подошве и касательные по боковым граням нижней ступени башмака (рис. III-28).

Рис. III-28. Расчетная схема фундамента при внецентренной нагрузке. а - схема фундамента; б - касательные реакции, обусловленные смерзанием; в - схема нагрузки при расчете башмака на прочность

Момент, который воспринимается касательными реакциями

(III-38)

На основание передается момент

(III-39)

где M^Н - момент от внешних нагрузок относительно подошвы фундамента.

Краевые давления

(III-40)

где Q^H - вертикальная нагрузка в г;

е - эксцентрицитет приложения нагрузки, равный ^Mн/_Q^н в м;

γ_об - объемный вес грунта в ^т/_м³;

h_ф - глубина заложения подошвы от планировочной отметки в м.

Максимальное значение давления на подошву не должно превышать 1,2 R^н (где R^н - нормативное давление, которое определяется так же, как при действии осевой нагрузки).

При расчете прочности башмака необходимо учитывать, что часть нагрузки приложена на конце консоли; расчетная величина этой части нагрузки может быть определена умножением kmR^н_сд на площадь соответствующей вертикальной грани башмака, т. е. на l_фh_ф или b_фhф.

При наличии деятельного слоя, сложенного пучинистыми грунтами, следует производить проверку фундаментов на устойчивость против поднятия силами выпучивания, а также проверку прочности на разрыв.

Рис. III-29. Расчетные схемы фундаментов на выпучивание

Расчет ведется в соответствии со схемами, приведенными на рис. III-29; следует иметь в виду, что периметр сечения фундамента в зоне заанкерования определяется как след на горизонтальную плоскость наименьшей поверхности скалывания грунта при выпучивании фундамента. В связи с этим сечение, очерченное периметром, не должно иметь входящих углов. Например, сечение деревянного фундамента с крестообразными анкерующими схватками следует определять не по контакту древесины с грунтом, а по линии, показанной пунктиром на рис. III-29, б.

В условиях сливающегося деятельного слоя необходимая реактивная сила, заанкеривающая фундамент, работающий на выпучивание, обеспечивается смерзанием его боковых поверхностей с вечномерзлым грунтом. Проверка фундамента на выпучивание сводится к вычислению необходимой глубины его заложения в вечномерзлый грунт:

при t₀≤-2°С[8]

(III-41)

при t₀ >-2°С

(III-42)

где τ^н - нормативная относительная сила выпучивания в кг, приходящаяся на пог. см периметра фундамента. Определяется опытным путем или приближенно по графикам рис. III-30;

Рис. III-30. Нормативная относительная сила выпучмвания фундамента. 1 - районы южнее 55-й параллели; 2 - районы севернее 55-й параллели; 3 - районы Заполярья

U_п - периметр сечения фундамента в зоне пучения в см;

U_a - то же, в зоне заанкерования;

n - коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1 для сооружений малочувствительных и 1,2 - для сооружений чувствительных к неравномерным перемещениям;

m - коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,9;

R^н_сд - нормативное сопротивление сдвигу при смерзании вечномерзлого слоя грунта с боковой поверхностью фундамента или сопротивление скалыванию мерзлого грунта в ^кг/_см², принимаемые при отсутствии опытных данных по графику на рис. III-31 с учетом средней температуры грунта от верхнего горизонта вечномерзлых грунтов до основания фундамента;

Рис. III-31. Нормативное сопротивление складыванию мерзлого грунта

N₁^н - нормативная нагрузка от веса сооружения, определяемая с учетом влияния ветровых нагрузок, в кг;

G^н - нормативая нагрузка от веса фундамента с учетом веса грунта на уступах в кг;

Δt - градиент температуры в ^град/_см, принимаемый по данным наблюдений за температурным режимом вечномерзлых грунтов (приближенно равный 0,0017 t₀);

k_п - коэффициент уменьшения подъемной силы пучения; для фундаментов с анкерами, развитыми в одном направлении, k_п = 1, для фундаментов с квадратной формой подошвы принимается по рис. III-32.

Рис. III-32. Коэффициент уменьшения подъемной силы пучения для фундаментов с квадратной формой подошвы (сплошной линией показаны значения k, при z = 0,5 м, пунктирной - при z = 1,0)

При несливающемся деятельном слое устойчивость фундаментов на выпучивание обеспечивается при соблюдении условия

(III-43)

где f^н_т - нормативная удельная сила трения талого и сыпучего мерзлого грунта по боковой поверхности фундамента в ^кг/_см², принимаемая по СНиП II-Б, 5-62.

Проверка прочности заанкеренного фундамента на разрыв силами пучения производится при условии:

(III-44)

Разрывающее усилие

(III-45)

где n - принимается равным 1,2;

C₁^н - нормативная нагрузка в кг от веса фундамента в пределах расчетной мощности деятельного слоя и надземной части фундамента.