Фундаменты глубокого заложения

Площадь основания и глубину фундаментов глубокого заложения, выполняемых способом опускного колодца, рассчитывают на эксплуатационные нагрузки, которые и определяют основные размеры опускного колодца.

Фундаменты глубокого заложения целесообразно закладывать на прочных грунтах (полуопальных и скальных). При этом конструкция работает как столбчатый фундамент и рассчитывается по первому предельному состоянию на прочность (по материалу и грунту). Расчетом определяют напряжения в грунте по подошве фундамента и в его боковой поверхности.

В однородных грунтах, у которых несущая способность возрастает с глубиной, отметку подошвы фундамента устанавливают по первому и второму предельному состоянию, прочности и деформациям оснований и фундаментов с расчетом осадок оснований и горизонтальных смещений фундаментов. В случае действия на фундамент центральной вертикально приложенной нагрузки , расчетную несущую способность колодца определяют по осевому сжатию (грунту) по формуле

                             т,                          (3.93)

где     — собственный вес фундамента, т;
 — предельная интенсивность сил трения данного слоя грунта по боковой поверхности фундамента;
 — периметр фундамента в пределах данного слоя грунта толщиной , м;
 — расчетное сопротивление грунта основания. При грунтах крупноблочных (щебенка, галечник, валуны) и связной твердой консистенции (В< 0) принимают = 2000 т/м².
При действии на фундамент горизонтальной силы и момента расчет производят с учетом его заделки в грунт, при этом учитывают жесткость фундамента. Грунт рассматривают как линейно деформируемую среду с коэффициентом постели, нарастающим пропорционально глубине. Если глубина заложения фундамента удовлетворяет условие , давление на грунт определяют, считая фундамент бесконечно жестким телом. Если это условие не удовлетворяется, фундамент рассчитывают с учетом его конечной жесткости. Коэффициент деформации фундамента в грунте

,

где  — расчетна

я ширина фундамента, по которой учитывают горизонтальное давление грунта на его боковую поверхность, т. е.

,

где  b — ширина фундамента; коэффициент Кф равен: для круглых колодцев 0,9; для прямоугольных 1,0; для прямоугольных с закругленными углами ();
EI — жесткость фундамента на изгиб;
m_g — коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение коэффициента постели с глубиной. Значение m_g принимают по табл. 35. в зависимости от наименования грунта, через толщу которого погружен колодец.
Большая часть опускных колодцев удовлетворяет условию и их рассчитывают как бесконечно, жесткие фундаменты. Длявы вода расчетных формул принимаем метод перемещений (рис. 35).

Все нагрузки приводим к центру подошвы фундамента. Нормальная центрально приложенная сила не влияет на величины горизонтального смещения и поворота фундамента. От единичного горизонтального смещения фундамента на его боковую поверхность со стороны грунта будут действовать нормальные напряжения, распределенные по закону треугольника. Наибольшее значение напряжений численно равно коэффициенту постели грунта на уровне подошвы.

Рис. 35. Расчетные схемы колодца-фундамента глубокого заложения:
а — нагрузки; б — приведенная; в — смещение; г - отпор.

Этот коэффициент определяется выражением , где  коэффициент пропорциональности грунта, расположенного выше подошвы фундамента.
Реакция от единичного смещения

;

.

От единичного поворота фундамента вокруг точки 0 на его боковую поверхность будут действовать реактивные силы давления, распределенные по параболе с наибольшей ординатой 0,25 сН. По подошве фундамента возникают реактивные давления, распределенные по линейному закону с наибольшим значением у краев фундамента, равным 0. Коэффициент постели нескалыюго грунта, расположенного под подошвой фундамента, вычисляют по  в зависимости от грунта в основании фундамента (см. табл. 35). При опирании на скальные грунты принимают с0 = 300 т/м3, если Rсж = 4 т/м2; с0 = 15000 т/м2, если Rсж = 25 т/м2. Для промежуточных значений Rсж величину с0 устанавливают по интерполяции. Момент заделки от единичного поворота

,

где  — момент сопротивления подошвы фундамента относительно оси 0у.
В выражениях для  и  касательные-составляющие напряжений по подошве и боковой поверхности фундамента не учитываются. Запишем канонические уравнения:

                                                 (3.94)

Решая эту систему уравнений и обозначив , получим

;
.                          (3.95)

Момент по подошве фундамента , где  — плечо горизонтальной силы Рх относительно подошвы фундамента. Напряжения по боковой поверхности фундамента на расстоянии у от поверхности грунта . Подставляя эти выражения и преобразуя уравнения  и , имеем

.        (3.96)

Из этого уравнения определим расстояние от поверхности грунта до оси поворота фундамента (рис. 36).

.

Обозначая через

,

получим
                                               .                                    (3.97)

Давление грунта по боковой поверхности фундамента найдем по формуле

                            .                            (3.98)

Рис. 36. Эпюры реактивного давления грунта па колодец:
а, б, в — формы нагрузки эпюр.

В зависимости от величины у0 эпюры давления могут иметь вид, изображенный на рис. 36. Наибольшее и наименьшее давление по подошве фундамента с учетом составляющей от вертикальной нагрузки

                   .                 (3.99)

Изгибающий момент, действующий в поперечном сечении фундамента на расстоянии Z,

                   .                         (3.100)

При нагрузке фундамента только моментом, принимая Рх=0, получим

                                     ;                                            (3.101)

где .
Рассуждая, как и в предыдущем случае, найдем расстояние до точки поворота фундамента

.

Давление грунта по боковой поверхности фундамента

                                      .                                      (3.102)

Наибольшее и наименьшее давление по подошве фундамента

                                     .                                   (3.103)

Среднее давление , а также наибольшее давление по подошве фундамента должны удовлетворять следующие условия:
 и ;
при этом горизонтальные давления Ру должны удовлетворять неравенства:

                                 (3.104)

где  — горизонтальные давления фундамента на грунт на глубине соответственно  и ;
 — коэффициент, учитывающий долю постоянной нагрузки в суммарной;
 — расчетный угол внутреннего трения грунта;
— момент в сечении по подошве фундамента только от постоянно действующих внешних нагрузок.
Расчетом по второму предельному состоянию определяют осадку фундамента и горизонтальные смещения его верха. Осадки и смещения не должны превышать нормативных величин. Если , то, как показывают расчеты, горизонтальное смещение верха фундамента может быть найдено в предположении бесконечной жесткости фундамента по формуле

                                     ,                               (3.105)

где   — расстояние от поверхности грунта до верха фундамента;
 — часть смещения за счет деформаций тела опоры и части фундамента, расположенной выше поверхности грунта.
Для значений  при  горизонтальное смещение определяют по выражению

                            ,                    (3.106)

где  и  — коэффициенты, учитывающие влияние конечной жесткости фундамента (табл. 36);
 — угол (в радианах) поворота фундамента бесконечной жесткости, определяемый по формулам:
при действии только горизонтальной силы Рн с плечом  

                                     ;                                       (3.107)

при действии только момента М (при Рн =0)

                                               .                             (3.108)

Пример. Размеры железобетонного колодца, R = 6, Н = 20 м; вертикальная и горизонтальная силы соответственно Р0 = 5000 и Р = 300 т; момент М = 10000 тм; грунты — твердые глины.
Находим:
;
; ; .
Производя расчет как для жесткого фундамента, определяем вспомогательные величины.

 м²;

;  м³;
 тм;
м; ;
 т; ;
;
.

Максимальное горизонтальное давление по боковой поверхности

 тм².

Давление по подошве фундамента

;

 т/м²;  т/м², что меньше расчетного сопротивления R.