Проектирование оснований и фундаментов .Общие положения

Лекция 3

Проектирование оснований и фундаментов .Общие положения

Основное требование к проектным решениям оснований и фундаментов это то, что они должны удовлетворять требованиям безопасности и надежност. Требования к долговечности оснований и фундаментов следует определять техническим заданием на проектирование сооружения в соответствии с ГОСТ 27751.

При проектировании оснований и фундаментов сооружений, должны быть рассмотрены все проектные ситуации и их сценарии (проектный сценарий: комплекс наиболее неблагоприятных изменений взаимосвязанных проектных ситуаций (комплекс наиболее неблагоприятных условий), которые могут возникнуть при возведении и эксплуатации здания. При проектирование необходимо выполнить выбор следующих проектных параметров и характеристик:

- типа основания (естественное или искусственное);

- типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные, комбинированные и др.;

-железобетонные, бетонные, из каменной или кирпичной кладки и др.);

-- мероприятий, применяемых для снижения деформаций окружающей застройки;

- мероприятий, применяемых для снижения неблагоприятного влияния на окружающую среду.

Эти проектные параметры и характеристики оснований и фундаментов сооружения должны соответствовать требованиям безопасности и должны быть обоснованы:

- ссылками на требования стандартов и сводов правил;

- расчетами и (или) испытаниями;

- результатами исследований, в том числе экспериментальных;

-моделированием сценариев возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий;

Проектирование проводится по двум группам предельных состояний.

К первой группе предельных состояний относятся состояния, приводящие сооружение и основание к полной непригодности к эксплуатации (потеря устойчивости формы и положения; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение резонансные колебания; чрезмерные деформации основания и т. п,).

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружения, снижающие его долговечность вследствие недопустимых перемещений (осадок, подъемов, прогибов, кренов, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).

Проектные решения должны обеспечивать невозможность наступления какого-либо предельного состояния.

Для этого при выполнении расчетов, испытаний и проверок используются коэффициенты надежности, учитывающие возможные неблагоприятные отклонения тех или иных параметров, условий строительства и эксплуатации, а также необходимость повышения надежности для отдельных видов строительных объектов.

Коэффициенты надежности следует принимать в соответствии с ГОСТ 27751, СП 20.13330 и СП22.13330.

Целью расчета или проверки оснований по предельным состояниям является выбор технического решения фундаментов, обеспечивающего невозможность достижения основанием предельных состояний. При этом учитываются не только нагрузки от проектируемого сооружения, но также возможное неблагоприятное влияние внешней среды, которое приводит к изменению физико-механических свойств грунтов (например, под влиянием поверхностных или подземных вод, климатических факторов, техногенных воздействий и т. д,).

Так к изменению влажности особенно чувствительны просадочные, набухающие и засоленные грунты, к изменению температурного режима - набухающие и пучинистые грунты.

Основания следует проверять по деформациям (по второй группе) практически во всех случаях.

Проверку оснований по несущей способности следует проводить в случаях, если:

а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций, углубление подвалов реконструируемых сооружений и т. п.), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

в) сооружение расположено вблизи котлована или подземной выработки;

г) основание сложено дисперсными грунтами;

д) основание сложено скальными грунтами;

е) сооружение относится к геотехнической категории 3;

ж) увеличивается нагрузка на основание при реконструкции сооружений.

Проверку оснований по несущей способности в случаях, приведенных в перечислениях а, б и в, выполняется с учетом конструктивных мероприятий, предусмотренных для предотвращения смещения проектируемого фундамента.

Если проектом предусматривается возможность возведения сооружения непосредственно после устройства фундаментов до обратной засыпки грунтом пазух котлованов, следует проводить проверку несущей способности основания. При этом учитываются нагрузки, действующие в процессе строительства.

Проектирование оснований и фундаментов с использованием расчетов является основным способом обеспечения требований надежности и может выполняться для объектов любой геотехнической категории.

Расчетные модели (расчетные схемы) должны учитывать инженерно- геологические условия, конструктивные особенности и особенности технологии возведения подземной части сооружения, возможность изменения свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения, действующие нагрузки и воздействия, влияние на объект внешней среды, а также, при необходимости, возможные геометрические и физические несовершенства.

Сооружение и его основание следует рассматривать в их взаимодействие. Для совместного расчета сооружения и основания могут быть использованы аналитические, численные и другие методы (в т. ч. метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов и др.).

Расчетную схему системы «сооружение-основание» или «фундамент-основание» следует выбирать с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения.

При этом, следует учитывать ряд факторов, таких, как: пространственную работу конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, анизотропию, пластические и реологические свойства материалов и грунтов. Допускается использовать вероятностные методы расчета, учитывающие статистическую неоднородность оснований, случайную природу нагрузок, воздействий и свойств материалов конструкций. Расчетные модели, используемые для проектирования оснований и фундаментов, должны быть верифицированы (Проверены, подтверждена правильности каких-либо положений, расчетных алгоритмов, программ и процедур путем их сопоставления с опытными (эталонными или эмпирическими) данными, алгоритмами и результата ).

Основным критерием верификации расчетных моделей должно являться наличие сопоставимого геотехнического опыта. Аналитическая или полуэмпирическая расчетная модель может считаться верифицированной для определенных условий, если результаты расчета демонстрируют хорошее соответствие экспериментальным результатам в сходных условиях.

Для верификации численных моделей следует выполнять:

- верификацию программного обеспечения, с помощью которого создается модель;

- проверку самой численной модели.

Верификацию программного обеспечения следует выполнять с помощью расчетов тестовых моделей, для которых известны аналитические решения,имеются сопоставимые экспериментальные результаты. Верификация расчетной модели должна включать:

- проверку исходных данных на формальное соответствие условиям задачи;

- проверку правильности граничных условий;

- проверку общего равновесия системы для всех сочетаний нагрузок и воздействий;

- проверку локального равновесия для всех подсистем модели; - проверку имеющихся условий симметрии;

- анализ соответствия характера полученных перемещений и деформаций граничным условиям и заданным связям;

- анализ соответствия характера распределения внутренних усилий в конструкциях сооружения характеру деформаций;

- оценку соответствия результатов расчета порядку ожидаемых величин в допустимом диапазоне.

Для верификации сложных численных моделей, используемых в расчетах уникальных сооружений и сооружений повышенного уровня ответственности, следует выполнять независимые сопоставительные расчеты с использованием различных программных средств . В том случае, когда расчетные методы или модели отсутствуют, либо недостаточно достоверны при проектировании следует использовать результаты экспериментальных исследований - модельных или натурных испытаний, которые выполняются на основании технического задания и программы работ.

В программе работ должны быть установлены требования к количеству и порядку проведения испытаний, метрологическому обеспечению, оформлению результатов работ.

Количество испытаний следует назначать в соответствии с требованиями нормативных документов. Подготовку и проведение испытаний следует осуществлять таким образом, чтобы модель и проектируемая конструкция во взаимодействии с грунтовым основанием при заданном уровне нагрузок и прочих внешних условиях были подобны.

При проектировании на основании экспериментальных исследований выполняется оценка достоверности результатов испытаний, учитывая при этом следующие факторы:

- возможное различие грунтовых условий при испытаниях и на строительной площадке проектируемого объекта;

- временные эффекты, особенно в тех случаях, когда продолжительность испытаний намного меньше, чем продолжительность нагружения реальных конструкций;

- масштабные эффекты, особенно в случае использования малых моделей.

Проектные решения оснований и фундаментов должны основываться на результатах инженерно-геологических и инженерно-геотехнических изысканий. Результаты инженерно-геологических и инженерно-геотехнических изысканий должны содержать сведения:

- о местоположении территории предполагаемого строительства, ее рельефе, климатических и сейсмических условиях и ранее выполненных инженерных изысканиях;

- инженерно-геологическом строении площадки строительства с описанием последовательности напластований грунтов, формы залегания грунтовых образований, их размеров в плане и по глубине, возраста, происхождения и классификационных наименований грунтов и с указанием выделенных инженерно-геологических элементов;

- гидрогеологических условиях площадки с указанием наличия, толщины и расположения водоносных горизонтов и режима подземных вод, отметок появившихся и установившихся уровней подземных вод, амплитуды их сезонных и многолетних колебаний, расходов воды, сведений о фильтрационных характеристиках грунтов, а также сведений о химическом составе подземных вод и их агрессивности по отношению к материалам подземных конструкций;

- наличие специфических грунтов;

- наблюдаемых неблагоприятных геологических и инженерно-геологических процессах (карст, оползни, подтопление, суффозия, горные подработки, температурные аномалии и др.);

- физико-механических характеристиках грунтов;

- возможном изменении гидрогеологических условий и физико- механических свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

В состав физико-механических характеристик грунтов, которые следует учитывать при проектировании, входят:

- плотность грунта и его частиц, влажность;

- коэффициент пористости;

- гранулометрический состав для дисперсных грунтов;

- содержание органических веществ);

- влажность на границах пластичности и текучести, число пластичности и показатель текучести для глинистых грунтов;

- коэффициент фильтрации;

- угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации и коэффициент поперечной деформации грунтов;

В случае использования в качестве оснований специфических грунтов, при проектировании оснований подземных частей сооружений и оснований высотных сооружений должны быть определены дополнительные характеристики.

В отчете об инженерно-геологических изысканиях необходимо указывать применяемые методы лабораторных и полевых определений характеристик грунтов и методы обработки результатов исследований.

К отчету об инженерно-геологических изысканиях следует прилагать: колонки грунтовых выработок и инженерно-геологические разрезы с указанием на них мест отбора проб грунтов и пунктов полевых испытаний, а также уровней подземных вод; таблицы и ведомости показателей физико-механических характеристик грунтов, их нормативных и расчетных значений; графики полевых и лабораторных испытаний грунтов; ведомости химических анализов подземных вод и их агрессивностик бетону и металлам.