Деформации зданий и сооружений, такие как опускание, крен или выгиб, напрямую связаны с процессами, происходящими в грунтовом основании. Чтобы предотвратить негативные последствия и обеспечить долговечность конструкции, выполняют расчет осадки фундамента. В ходе этого расчета определяют ключевые параметры: величину вертикального оседания, кривизну и угол наклона, а также контуры зоны проседания грунта. Результаты геодезических изысканий ложатся в основу графиков развития деформаций и профилей изменений по осям здания. Для комплексного учета нагрузок строят специальные эпюры, которые затем используются в инженерных расчетах.
Основные причины осадки фундамента
Осадка фундамента — это следствие сложного взаимодействия конструкции с грунтом. Она часто возникает из-за неравномерного распределения нагрузок от здания и неоднородности почвенных условий на строительной площадке.
Грунт под подошвой фундамента начинает деформироваться, когда дополнительные напряжения от сооружения превышают естественное давление от собственного веса грунта. Это приводит к уменьшению объема почвы за счет сжатия пор и развитию пространственных искажений.
К основным причинам деформаций основания относятся:
- Скачкообразная осадка уплотнения, характерная для некоторых типов грунтов;
- Неоднородное строение грунтового массива под фундаментом (наличие линз, прослоек);
- Прерывистое, неравномерное распределение напряжений в основании;
- Неравномерный прирост веса здания в процессе поэтапного строительства.
Остаточные (пластические) просадки, как правило, значительно превышают упругие деформации. Поэтому искажения грунта под действием неравномерного давления чаще всего относят к категории осадок уплотнения. Величина осадки неодинакова в разных точках из-за разнообразия почвенных условий и неоднородности поля напряжений. Неоднородность грунта может быть вызвана наличием пучинистых слоев, неравномерным залеганием пластов и разной их мощностью.
Нагрузка на основание передается неравномерно еще и потому, что разные элементы фундамента начинают работать в разное время. Первоначальную нагрузку воспринимают вертикальные конструкции и кровля, от которых давление передается на ленточный фундамент. Перекрытия, балки, перегородки и технологическое оборудование нагружают основание позднее. Кроме того, некоторые опоры могут иметь уширенную подошву по сравнению с другими, что также ведет к неравномерной осадке фундамента.
Влияние свойств грунта на устойчивость фундаментов
В грунтовом массиве под подошвой могут развиваться осадки выпирания, которые чаще всего формируются под краями фундамента. Происходит перераспределение давлений по его подошве, что вызывает пластические искажения. Дальнейший рост нагрузки ведет к расширению зоны деформации и создает риск вспучивания грунта из-под подошвы.
Разрушение естественной структуры грунта (деструктурирование) также создает опасные зоны. Этот риск возникает при производстве земляных работ — рытье котлованов и траншей. Обнаженная внутренняя структура грунта становится уязвимой для негативных факторов (вода, мороз), которые ранее сдерживались вышележащими слоями.
Величина и характер осадки грунта во многом зависят от следующих условий производства работ:
- Выбранный метод и технология земляных работ;
- Продолжительность возведения нулевого цикла (фундаментов и подземной части);
- Эффективность устройства водоотведения и дренажа;
- Комплекс мероприятий по сохранению естественной структуры грунта (например, защита дна и откосов котлована).
Структура грунта нарушается под воздействием атмосферных явлений на открытые поверхности, динамических нагрузок от строительной техники, а также из-за изменения уровня грунтовых вод. Промерзание увлажненных слоев увеличивает их объем и порождает силы морозного пучения, которые иногда могут превышать осадку ленточного фундамента от внешних нагрузок. Выпячивание грунта негативно сказывается как на процессе строительства, так и на дальнейшей эксплуатации здания.
Для минимизации влияния негативных свойств грунтов применяют ряд мер: заложение подошвы фундамента ниже расчетной глубины промерзания, обработку боковых поверхностей опор гидроизоляционными материалами (битум, солярка), а также обратную засыпку пазух непучинистым грунтом.
Методы расчета осадки фундамента
В инженерных расчетах чаще всего анализируется осадка уплотнения, возникающая от деформации грунта под действием нагрузки от сооружения. Это медленно развивающийся процесс, который может продолжаться 2–3 года после ввода здания в эксплуатацию.
Существует множество теоретических методов подсчета просадок (около 17), однако на практике наибольшее распространение получили несколько ключевых способов:
- Метод послойного суммирования;
- Метод эквивалентного слоя;
- Расчет для условий слоистого напластования грунтов;
- Метод, предложенный К.Е. Егоровым.
Конструкция здания испытывает наибольший крен, изгиб или кручение при достижении стабилизации осадки. Эти деформации называют конечными, и их величина является итоговым результатом проектных расчетов.
Осадка фундамента представляет собой полное вертикальное перемещение, вызванное деформацией всей толщи сжимаемого грунтового слоя основания. Осадка отдельного грунтового пласта — это величина уменьшения его мощности в результате сжатия. Детальный разбор всех методов расчета требует значительного времени, поэтому ниже представлено краткое, но содержательное описание основных из них.
Метод послойного суммирования
Этот классический метод является одним из самых распространенных. В расчете используются данные о размерах подошвы фундамента, глубине его заложения. Определяется среднее давление под подошвой, для чего предварительно собираются все нагрузки от веса здания и самого фундамента.
Ключевой формулой для определения расчетного сопротивления грунта основания (R) является: R = (yc1 + yc2) / k · (My · k2 · b + Mg · d1 + (Mg – 1) · db + Mc · cn), где:
- yc1 и yc2 — коэффициенты условий работы (обычно принимаются 1.1 и 1.0 соответственно);
- k и k2 — коэффициенты надежности (часто равны 1.0);
- b — ширина подошвы фундамента;
- cn — расчетное значение удельного сцепления грунта (например, 1 кН/м³);
- db — глубина подвала от уровня планировки;
- d1 — глубина заложения фундамента;
- My, Mg, Mc — безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта.
Далее строятся эпюры природного (бытового) и дополнительного давления. Из них берутся значения добавочных вертикальных напряжений. По специальной формуле вычисляется высота элементарного (расчетного) слоя грунта, которую для запаса часто увеличивают.
Следующий шаг — построение эпюры дополнительных напряжений в толще грунта под подошвой. Нижняя граница сжимаемой толщи находится на пересечении эпюр природного и дополнительного давлений. Осадка каждого слоя вычисляется с учетом его деформационных характеристик (модуля деформации). Итоговая осадка фундамента определяется как сумма осадок всех элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи. Полученное значение не должно превышать предельно допустимых нормативов для зданий данного типа и грунтовых условий.
Метод эквивалентного слоя
Метод, разработанный Н.А. Цытовичем, широко применяется для расчета осадок гибких ленточных фундаментов, а также для оценки взаимного влияния осадок соседних фундаментов. Его преимущество — возможность определения смещения основания не только под центром подошвы, но и в угловых зонах, по краям, а также в различных точках между фундаментами.
Метод основан на использовании стандартных схем для нахождения толщины эквивалентного (равносжимаемого) слоя грунта на разных участках. Эта методика особенно полезна в условиях городской застройки, где необходимо учитывать влияние уже существующих сооружений. Алгебраическое суммирование осадок от эквивалентных слоев в разных точках дает полную картину деформации.
Метод хорошо зарекомендовал себя для фундаментов с относительно небольшой шириной подошвы на стабильных грунтах с невысокой сжимаемостью.
Расчет для условий слоистого напластования грунтов
Слоистость проявляется, когда прочные грунты разделены маломощными слабыми прослойками. В расчетах обычно опираются на несущую способность стабильного слоя, но при этом обязательна проверка прочности подстилающего слабого пласта. В некоторых случаях силы морозного пучения в таких грунтах могут превышать вес всего здания.
Расчет в сложных грунтовых условиях часто предполагает заложение подошвы ниже глубины промерзания. Наибольшей пучинистостью обладают текучие и мягкопластичные глины, суглинки, а также пылеватые пески.
Расчет осадок в слоистых грунтах ведется двумя основными путями:
- Определение осредненного показателя сжимаемости для всей толщи;
- Послойное суммирование деформаций каждого отдельного пласта.
Второй способ более точен, но и более трудоемок. Допустимо приближенное осреднение, учитывая, что сами определения характеристик сжимаемости грунтов имеют определенную погрешность. Нормативные документы регламентируют учет влияния отдельных слоев в общем напряженном состоянии. Используются стандартные формулы, а осреднение проводится в рамках расчетного показателя сжимаемости.
Метод К.Е. Егорова
Согласно действующим нормам (СНиП), глубина сжимаемой толщи определяется с большим запасом, так как в расчетной модели грунт часто условно принимается за твердую глину или крупнообломочный массив. К.Е. Егоров предложил модель, учитывающую характеристики упругого полупространства и разницу в поведении глинистых и песчаных оснований.
Практические наблюдения за осадками реальных зданий подтвердили корректность подхода Егорова. Анализ результатов показал, что для фундаментов с шириной подошвы или радиусом менее 10 метров большинство методов дает сходные результаты, за исключением расчетов осадок для глинистых грунтов, где метод Егорова может быть более точным.
Практические рекомендации по бетонированию фундаментов
Монолитные бетонные конструкции возводят в разборной опалубке из унифицированных щитов. Способ подачи, транспортировки и укладки бетонной смеси выбирают, стремясь минимизировать количество ее перегрузок для сохранения однородности.
Бетонная смесь может подаваться к месту укладки несколькими способами:
- С помощью подъемных механизмов (кранов) в специальных бадьях;
- Автосамосвалами непосредственно в опалубку или на эстакады;
- Посредством ленточных транспортеров (конвейеров);
- С применением бетононасосов.
Подача краном является универсальной и удобной, так как не зависит от объема бетонирования и позволяет одновременно доставлять арматурные каркасы. Для укладки смеси в труднодоступные места (густоармированные узлы, узкие опалубки) используют легкие переносные транспортеры или виброжелоба.
Расчет крена фундамента
Наклон (крен) фундамента может быть вызван внецентренным приложением нагрузки (например, из-за изгибающего момента от ветра или кранов), влиянием соседних сооружений или неоднородностью грунта под подошвой. Методика расчета крена регламентирована строительными нормами (СНиП 2.02.01–1983).
В расчете используются такие характеристики, как модуль деформации грунта и коэффициент Пуассона, который для разных грунтов принимается:
- Для песков и супесей — около 0.3;
- Для суглинков — около 0.35;
- Для глин — около 0.42.
Модуль деформации принимается по таблицам в зависимости от вида грунта. Учитываются геометрические параметры фундамента (ширина, площадь подошвы), а также абсолютное и дополнительное давление на основание. Расчет ведется для той стороны прямоугольного фундамента, в отношении которой действует изгибающий момент. Если в проекте надземной конструкции не предусмотрено ее поворота вместе с фундаментом (жесткая задежка), расчет крена может не выполняться.