Введение

Проектирование оснований и фундаментов является одним из навы­ков, составляющих основу профессиональных знаний, приобретаемых сту­дентами направления подготовки 270800 «Строительство». Важным становится овладение будущими инженерами-строителями сис­темой теоретических принципов, лежащих в основе инженерных методов расчета фундаментов.

Учебное пособие содержит объем сведений, необходимых для расчета и проектирования оснований и конструкций фундаментов, излагаемых в об­щем курсе «Основания и фундаменты». Выбор конструкции фундамента и его размеров, удовлетворяющих грунтовым условиям конкретной площадки строительства, нередко делает задачу выбора оптимального решения слиш­ком сложной, требуя от проектировщика творческих способностей. Ошибки, возможные на этом этапе, приводят часто к невозможности эксплуатации со­оружения в полной мере без значительных затрат.

Процесс проектирования состоит из решения отдельных типовых за­дач, начиная с выбора несущего слоя грунта, глубины заложения, типа и раз­меров элементов фундамента и вплоть до конструирования и оптимизации. Материал в учебном пособии построен таким образом, что, изучая его, сту­дент получает необходимые теоретические сведения обо всех этапах проек­тирования наиболее распространенных типов фундаментов, переходя от про­стого к сложному.

Материал пособия послужит основой при подготовке к промежуточ­ной аттестации и тестированию в течение семестра.

1. Общие принципы проектирования оснований и фундаментов

1.1. Основные понятия и определения. Особенности конструкций подземной части зданий и сооружений. Общие требования к проектированию оснований и фундаментов

Проектирование подземной части зданий и сооружений связано с рас­четом двух взаимосвязанных систем «фундамент» - «грунтовое основание» с учетом конструктивных особенностей надземного сооружения (способа пе­редачи нагрузки, материалов конструкций, пространственной жесткости, на­значения и т.д.). Для иллюстрации основных терминов, которые будут ис­пользоваться в дальнейшем, рассмотрим типичную схему фундамента, пред­ставленную на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема фундамента: 1 - конструкция надземного сооружения; 2 - обрез; 3 - от­крытый котлован; 4 - фундамент; 5 - подошва; 6 - основание; 7 - грунт

Фундаментом (4) называется часть здания или сооружения, преиму­щественно подземная, которая воспринимает нагрузки от конструкций над­земного сооружения (1) и передает их на естественное или искусственное ос­нование, сложенное фунтами.

Основанием (5, 6) называется напластование грунтов, воспринимаю­щих нагрузку от фундамента.

Грунтами (7) называются рыхлые горные породы, образовавшиеся в результате выветривания верхних слоев литосферы.

Фундаменты устраивают в открытых котлованах (3) или полостях за­данной формы, создаваемых в массиве грунта.

Верхняя плоскость фундамента, на которую опираются надземные конструкции, называется обрезом (2), а нижняя плоскость, соприкасающаяся с основанием, - подошвой (5). За ширину фундамента принимают меньший размер подошвы - b. Расстояние от обреза фундамента до подошвы есть вы­сота фундамента к. Глубиной заложения фундамента d_f является расстоя­ние от подошвы до уровня планировки.

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, вос­принимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные дефор­мации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемеще­ний и усилий. Неправильное проектирование, подготовка оснований и возве­дение фундаментов могут привести к тому, что даже выполненная согласно проекту конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Мировой опыт строительства показы­вает, что большинство аварий построенных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством основа­ний.

Одной из характерных особенностей неправильного возведения фун­даментов является то, что его отрицательное действие проявляется после накопления грунтами основания достаточных деформаций, т. е., как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные и заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно расселять, подвергать сложным ремонтно-восстановительным рабо­там, а нередко и полностью или частично разбирать.

Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании и возведе­нии фундаментов, или стремление к неоправданной экономии ресурсов мо­гут потребовать проведения дополнительных мероприятий, стоимость кото­рых во много раз превысит стоимость фундаментов.

Стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных инженерно-геологических условиях может дос­тигать 20...30% и более. Поэтому необоснованное принятие чрезмерно сложных для конкретных условий конструкций фундаментов и производства работ по их возведению приведет к неоправданному удорожанию строительства.

Важно отметить, что технология работ по подготовке оснований и устройству фундаментов и подземных частей зданий во многом отличается от работ по возведению подземных сооружений. В зависимости от типа со­оружения, рельефа местности, инженерно-геологических и гидрогеологиче­ских условий строительной площадки, климатических и метеорологических условий района строительства, даже времен года, когда выполняются эти ра­боты, технология производства строительных работ может значительно из­меняться. Правильный выбор технологии подготовки оснований и устройст­ва фундаментов имеет очень большое значение для надежного и экономично­го строительства сооружений. Эти вопросы специально рассматриваются в курсе технологии строительного производства и подробно изложены в учеб­ном пособии [1].

На основании вышеизложенного можно сформулировать общие тре­бования, предъявляемые в действующих нормативных документах, к проек­тированию оснований и фундаментов:

- обеспечение прочности и эксплуатационных параметров зданий и со­оружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать до­пустимых величин);

- максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;

- достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемко­сти, сокращение сроков строительства.

Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже условий:

- комплексный учет при выборе типа оснований и фундаментов инже­нерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки;

- учет влияния конструктивных и технологических особенностей соору­жения на его чувствительность к неравномерным осадкам;

- оптимальный выбор методов выполнения работ по подготовке основа­ний, устройству фундаментов и подземной части сооружений;

- расчет и проектирование оснований и фундаментов с учетом совмест­ной работы системы «основание - фундаменты - конструкции сооружения».

Таким образом, проектирование оснований и фундаментов состоит в выборе типа основания (естественное или искусственное), конструктивного решения (в том числе материала) и размеров фундаментов (глубина заложе­ния, размеры площади подошвы и т.д.), а также определении мероприятий, применяемых для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуата­ционную пригодность и долговечность сооружения.

Конструирование фундаментов (назначение класса бетона, подбор ар­матуры, определение размеров отдельных его частей и т.п.) относится к кур­су железобетонных конструкций.