Исходные данные.

Расчет фундамента под наружную стену подвала. Пример расчета.

В этой статье мы подробно и с пояснениями пройдемся по расчету монолитной железобетонной стены подвала с фундаментом под эту стену в виде монолитной ленты. Расчет выполнен согласно «Руководству по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства», к сожалению, в этом руководстве нет подобного, очень нужного примера. Постараемся исправить данную ситуацию.

Хочу сразу сделать ударение: хоть обычно подобные расчеты и называют «расчет стены подвала», главное в нем – это именно расчет габаритов подошвы фундамента.

Расчет был оформлен в Экселе, чтобы стать многоразовым помощником. В статье будут выложены скрины расчета с необходимыми пояснениями. Возможно, подобный расчет можно было сделать гораздо совершенней, но моей целью было не изучить Эксель, а сделать рабочий инструмент (расчет), который в итоге можно распечатать, проверить другому человеку, не залезая в компьютер, и в конце концов сдать в архив. Поэтому замечания по оформлению принимаются только в виде советов, как можно было бы сделать лучше и проще.

Расчет пронумерован по пунктам (в самом первом столбце А), на них будут даваться ссылки в пояснениях.

Исходные данные.

Внимание! Если в вашем примере условия пунктов 1-5 исходных данных отличаются, считать по этому примеру нельзя, т.к. формулы расчета будут другими – подобрать подходящие формулы можно в руководстве.

1) На стену опирается перекрытие и препятствует смещению верхней части стены по горизонтали, т.е. стена имеет две опоры – внизу и вверху.

2) Грунт засыпки не доходит до верха стены (если у вас не так, нужно брать другие формулы для расчета в руководстве).

3) Стена и фундамент – монолитные железобетонные, с заведением арматуры стены в фундамент.

4) Грунт обратной засыпки – связный, т.е. сцепление не равно нулю.

5) Сложные инженерно-геологические условия (наличие слабых прослоек или зон в грунте, наличие грунтовых вод и т.п.), а также значительные нагрузки на поверхности грунта – отсутствуют (иначе следует выполнять расчет согласно примечанию к п. 8.13 руководства).

6) Коэффициенты для расчета (они выбраны из украинских норм, обратите на это внимание, если считаете не в Украине):

7) Геометрия стены – здесь приведены все значения, которые нам понадобятся в ходе расчета:

На рисунке стена показана в разрезе. Слева – засыпка грунтом с улицы до отметки -0,45 м, справа – подвал.

8) Характеристики грунта. Это один из определяющих факторов для расчета. В расчете используются два грунта:

а. грунт основания – это неповрежденный (не замоченный, не замороженный, не нарушенный при отрытии котлована) грунт основания – по-простому, земля, на которой лежит фундаментная лента. Его характеристики берем из инженерно-геологического отчета.

б. грунт засыпки – это либо местный грунт, который был изъят из котлована (чаще всего так и делается), тогда его характеристики берутся с понижающими коэффициентами, как показано в нашем расчете и взято из руководства; либо привезенный песок или доменный шлак (тогда понижающие коэффициенты также используются, ведь грунт невозможно уплотнить до природного состояния, а сцепление нужно брать нулевое). По грунтам засыпки следует заметить следующее. Нельзя использовать для обратной засыпки местные просадочные грунты. Также иногда бывает, что с местным грунтом (глиной, суглинком) фундаментная лента получается слишком широкой, тогда можно просчитать ее с обратной засыпкой, имеющей высокий угол внутреннего трения (35-40 градусов), это значительно снижает горизонтальное давление грунта на стену и резко уменьшает ширину подошвы. Если завезти грунт для засыпки не дорого, то стоит рассмотреть при проектировании данный вариант. Но всегда следует учитывать, что доменный шлак – наихудший с точки зрения экологичности вариант. И обратите внимание на ограничение для сцепления грунта засыпки (не более 0,7 и не более 1,0 т/м²) – оно действует всегда.

9) Нагрузки – это тоже немаловажный фактор, нужно правильно собрать нагрузки перед расчетом. Нагрузка на грунте, если она не определена, берется не меньше 1 т/кв. м. Нагрузки на стену подвала собираются от веса всех конструкций, опирающихся на фундамент плюс временная нагрузка на всех перекрытиях-покрытиях (включая снеговую) – как собрать нагрузку на ленточный фундамент можно узнать в этой статье.

Итак, переходим к расчету устойчивости основания против сдвига.

Расчет стены проводится в несколько этапов, в каждом из них проверяется определенное условие, обеспечивающее надежную работу конструкции. Что определяет расчет устойчивости основания против сдвига? На стену воздействуют немалые горизонтальные силы от давящего на нее грунта (в нашем примере такое давление достигает более двух тонн на метр квадратный стены), пытающиеся сдвинуть стену в сторону подвала. Препятствуют этому удерживающие силы: нагрузка на стену подвала (из п. 4 расчета); собственный вес стены подвала и фундамента; пригруз грунта со стороны обратной засыпки (именно поэтому мы стараемся сделать фундамент не симметричным, а большую его часть выдвинуть в сторону обратной засыпки – чтобы получше пригрузить); пригруз обратной засыпкой и конструкцией пола со стороны подвала и пассивное горизонтальное давление от них же. Все эти вертикальные силы придавливают фундамент к земле, возникает сила трения между подошвой и грунтом основания (чем шире подошва, тем больше сила трения – это еще один фактор, который нужно запомнить); и если сила трения больше сдвигающей силы хотя бы в 1,2 раза (коэффициент запаса, учитывающий всякие погрешности), то фундамент не сдвинется и стена будет стоять на нем надежно.

Что означает «по 1 предельному состоянию»? К 1 предельному состоянию относится решение вопроса устойчивости конструкции, его мы и решаем. Конкретно для расчета – это проявляется в выборе повышающих коэффициентов из п. 1.

Итак, первое, что нужно определить – это горизонтальное давление, воздействующее на стену по высоте.

В п. 5.2 и 5.3 мы определяем горизонтальную составляющую интенсивности активного давления грунта – она переменна, вверху равна σ_г1, а к низу возрастает до σ_г2. Что это такое, название явно сложное. Грунт засыпки имеет собственный вес (удельный вес грунта γ), и неоднородную, сыпучую структуру, характеризующуюся углом внутреннего трения φ (этот угол определяет способность грунта не рассыпаться под собственным весом, а значит и влияет на степень давления веса грунта на конструкцию стены). Если бы грунт был подобен скале (монолитный и целостный), то его вес давил бы только вниз и на соседствующую стену не воздействовал. А так давление грунта распределяется под углом трения, и в итоге в нем можно выделить вертикальную и горизонтальную составляющую. Чем выше угол трения, тем лучше держит грунт сам себя, и тем меньше его горизонтальное давление и больше вертикальное.

Понятие активного и пассивного давления введено для различия: активное пытается сдвинуть, пассивное – помогает удержать на месте.

Величина горизонтального давления всегда увеличивается с глубиной, она прямо пропорциональна глубине грунта. На уровне поверхности грунта она равна нулю, поэтому σ_г1 = 0, т.к. в нашем примере поверхность грунта ниже верха стены (если бы грунт был выше верха стены, то вверху стены σ_г1имела бы уже какую-то величину).

Помимо влияния собственного веса грунта на стену также оказывает влияние нагрузка на грунте – горизонтальная составляющая давления от нее постоянна по всей глубине, ее мы находим в п. 5.4. В данном примере рассмотрен случай, когда временная нагрузка на грунте распределена равномерно по всей площади. Если у Вас другой случай, то формулу и эпюру надо переработать согласно рисунку 8 руководства.

И последняя величина – это интенсивность горизонтальных сил сцепления грунта засыпки, которую мы находим в п. 5.6. Сила сцепления удерживает грунт – чем больше сцепление грунта, тем меньше его давление на стену, поэтому σ_сг в формуле 5.7 и 5.8 мы используем со знаком минус. И чем большего сцепления грунта можно добиться при уплотнении обратной засыпки, тем легче будет стене и фундаменту.

В формуле определения интенсивности сил сцепления повышающий коэффициент не используется – обратите внимание на такие случаи. Если мы применим повышающий коэффициент, то тем самым мы уменьшим сдвигающую силу, а ее нам нужно определить максимальной. Повышающие коэффициенты используются только там, где они могут ухудшить условия работы конструкции.

Обратите внимание, что в данном расчете грунт засыпки – это связный грунт, он имеет не нулевое сцепление. Если вы применяете несвязный грунт (песок, шлак и др.), то нужно считать по другим формулам руководства, и эпюры будут другими, т.е. данный расчет уже не подходит.

Далее нам следует суммировать горизонтальные давления, чтобы получить итоговую эпюру.

Вверху значение интенсивности горизонтального давления равно σ₁, а внизу – σ₂.

Причем, здесь может быть два варианта: σ₁ может получиться как с отрицательным, так и с положительным значением. При отрицательном значении итоговая эпюра будет иметь вид треугольника; при положительном – вид трапеции. Соответственно, формулы получатся тоже разные.

В данном примере у нас получился вариант с треугольной эпюрой. Но расчет я постаралась сделать универсальным для обоих случаев, поэтому в данном месте расчет у меня раздвоился, и нужно сделать выбор, по какому из вариантов «а» или «б» считать далее.

Итак, в п. 5.9 мы определили, что расчет будем вести по варианту «а».

В этом варианте, когда мы суммируем все три эпюры (с учетом знаков: первые две действуют в одну сторону, третья – в противоположную), получается итоговая треугольная эпюра давления, наглядно показывающая, на какой высоте (Н₁) и с какой силой воздействует на стену активное горизонтальное давление. Обратите внимание, что если графически построить эпюры пропорционально значениям, получившимся в формулах, то все результаты на рисунке и в расчете сойдутся – такая самопроверка никогда не помешает.

Найдя горизонтальное давление грунта σ₂ на уровне низа подошвы, мы с его помощью определяем сдвигающую силу Т_сд, что и сделано в п. 5.10а.

Вариант «б» (пункт 5.10б) для данного примера не актуален, но я приведу его на рисунке ниже, вдруг ваш расчет пойдет по другому пути (пример итоговой эпюры для варианта «б» я не привожу).

И следующим этапом будет определение всех возможных удерживающих сил, действующих на фундамент: собственный вес фундамента, стены и грунта обратной засыпки, опирающегося на подошву фундамента с двух сторон, собственный вес конструкции пола и нагрузка на стену фундамента от конструкций здания. Временные нагрузки в этом расчете не участвуют, т.к. без них ситуация хуже, чем с ними.

Все эти силы, кроме Р₅, имеют площадь сбора нагрузки, что мы наглядно видим из рисунка выше. Суммируя все силы, мы получаем N (п. 5.16).

Также необходимо найти пассивное горизонтальное давление грунта Е_п – это давление части грунта, находящейся под уровнем пола подвала (справа от стены и фундамента) и удерживающей фундамент от сдвига. Пассивное давление зависит от веса грунта, его сцепления и угла внутреннего трения – обратите внимание, их значения берутся для расчета по 1 предельному состоянию. Полы в данном случае условно игнорируются, и их толщина при расчете пассивного давления грунта исключается.

После этого в п. 5.18 определяется удерживающая сила Т_уд.

Обратите внимание, для стены подвала без сложных геологических условий выполняется проверка только при β = 0. Иначе расчет нужно выполнять согласно примечанию к п. 8.13 руководства.

Последним шагом является проверка – сравнение сдвигающей и удерживающей сил. Если первая меньше второй хотя бы в 1,2 раза, то условие обеспечено, и можно переходить к следующему этапу расчета.

Что делать, если условие не обеспечено? Можно выполнить следующие мероприятия:

- увеличение ширины подошвы в сторону улицы – этим мы добавляем дополнительный пригруз от веса грунта засыпки, а также вес самой подошвы;

- увеличение ширины подошвы в сторону дома – эффект от него меньше, чем от первого, но все же есть, т.к. с увеличением площади фундамента возрастает сила трения, препятствующая сдвигу;

- увеличить собственный вес конструкций фундамента и стены за счет их толщины – иногда (если не хватает совсем немного) это рациональней, чем копать более широкую траншею;

- заменить обратную засыпку на грунт с большим углом внутреннего трения (песок, шлак).

Не забывайте, положительные факторы в этом расчете – это любая вертикальная нагрузка; ширина подошвы фундамента (чем больше, тем лучше); большой угол трения грунта засыпки со стороны улицы. Отрицательные факторы: глубина подвала, точнее высота грунта засыпки со стороны улицы (чем она больше, тем больше сдвигающая сила); маленькая толщина засыпки со стороны подвала (эта засыпка препятствует сдвигу, иногда стоит ее увеличить немого, подняв пол подвала, чтобы условия по сдвигу удовлетворялись); небольшая нагрузка на стену подвала (чем больше пригруз, тем больше сила трения и сопротивление сдвигу).

В обычных случаях все проблемы можно решить увеличением ширины подошвы фундамента. Но если этого не достаточно, возможно проведение дополнительных мероприятий, например устройство распорок между стенами подвала, которые будут препятствовать сдвигу. Естественно, распорки должны быть рассчитаны на действие сдвигающей силы и установлены с определенным шагом. Если в доме часто стоят несущие поперечные стены, нужно проводить анализ о возможности сдвига фундамента – в некоторых случаях можно пропускать эту часть расчета.