Практические способы расчета устойчивости оснований фундаментов и сооружений регламентированы существующими строительными нормами. Исходными данными для таких расчетов являются:
- инженерно-геологическое строение основания, включая наивысшее положение уровня подземных вод;
- расчетные значения физико-механических характеристик грунтов всех слоев основания (удельный вес γ' и γ соответственно выше и ниже подошвы фундамента, φ- угол внутреннего трения,с - удельное сцепление);
- размеры подошвы фундамента: его ширина b, длина l и глубина заложения d;
- расчетные значения вертикальногоFvи Fh усилий, а также расчетное значение момента М, отнесенное к плоскости подошвы фундамента.
Цель расчетов по несущей способности – это обеспечение прочности и устойчивости грунтов основания, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывание.
При выборе расчетной схемы следует руководствоваться статическими и кинематическими возможностями формирования поверхностей разрушения грунтов основания.
Расчет оснований по несущей способности ведут согласно СНиП 2.02.01 – 83. Несущая способность считается обеспеченной при выполнении условия (6.1):
F = γ c Fu. / γ n , (6.1)
где F – равнодействующая расчетной нагрузки на основание при соответствующих значениях Fvи Fh, наклоненная к вертикали под углом = arctg (Fh / Fv);Fu. – сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки); γ c - коэффициент условий работы, принимаемый: для песков, кроме пылеватых, 1; для песков пылеватых, а также глинистых грунтов в стабилизированном состоянии – 0,9; для глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии – 0,85; для скальных грунтов: невыветрелых и слабовыветрелых – 1,0; выветрелых – 0,9; сильно выветрелых – 0,8; γ n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15; 1,10 соответственно для зданий и сооружений I , II , III классов.
В общем случае вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания Nu. , сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, допускается определять по формуле (6.2):
Nu. = b'l' (Nγξγ b'γ + Nqξq γ'd + Ncξc c) , (6.1)
где b' и l' - приведенные ширина и длина подошвы фундамента:
b' = b - 2 eb ; l' = l - 2 el ; (6.3)
eb и el - соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в уровне подошвы фундамента, причем символом b обозначена сторона фундамента, в направлении которой ожидается потеря устойчивости основания. Правила определения величин b'и l'для прямоугольного и круглого фундаментов показаны на рисунке 20.
Рисунок 20 – Схема к определению приведенных размеров
прямоугольного (а) и круглого (б) фундаментов
Очевидно, что при центральном приложении нагрузки b' = b ; l' = l.
Коэффициенты Nγ , Nq , Nc принимаются по таблице 6.1 в зависимости от расчетного значения φ и δ ; при этом необходимо выполнение условия tg δ < sin φ .
Коэффициенты ξγ , ξq, ξc вносят поправку на соотношение сторон фундамента η = l / b . При η < 1 принимается η = 1; при η > 5 фундамент рассматривается как работающий в условиях плоской задачи, тогда ξγ = ξq = ξc = 1. В пределах между этими величинами поправочные коэффициенты рассчитывают по формулам (6.4):
ξγ = 1 – 0,25 / η ; ξq = 1 + 1,5 / η ; ξc = 1 + 0,3 / η , (6.4)
Необходимо помнить, что при высоком положении уровня подземных вод, значения удельного веса грунта в формуле (6.1) нужно принимать с учетом взвешивающего действия воды.
Таблица 6.1 - Значения коэффициентов Nγ , Nq , Nc
Угол внутреннего трения грунта, φ, град
Коэффициенты
Коэффициенты Nγ , Nq и Nc при углах наклона
к вертикали равнодействующей внешней нагрузки δ, град, равных
Nγ
Nq
Nc
1,35
3,94
10,98
1,02
3,45
9,13
0,61
2,84
6,88
0,21
2,06
3,94
δ = 14,5
Nγ
Nq
Nc
2,88
6,40
14,84
2,18
5,56
12,53
1,47
4,64
10,02
0,82
3,64
7,26
0,36
2,69
4,65
δ = 18,9
Nγ
Nq
Nc
5,87
10,66
20,72
4,50
9,17
17,53
3,18
7,65
14,26
2,00
6,13
10,99
1,05
4,58
7,68
0,58
3,60
5,58
δ = 22,9
Nγ
Nq
Nc
12,39
18,40
30,14
9,43
15,63
23,54
6,72
12,94
20,68
4,44
10,37
16,27
2,63
7,96
12,05
1,29
5,67
8,09
0,95
4,95
6,85
δ = 26,5
Nγ
Nq
Nc
27,50
33,30
46,12
20,58
27,86
38,36
14,63
22,77
31,09
9,79
18,12
24,45
6,08
13,94
18,48
3,38
10,24
13,19
1,60
7,04
8,63
δ = 29,8
Примечание. В фигурных скобках приведены значения коэффициентов несущей способности, соответствующие указанным рядом значениям δ, полученным из условия tg δ = sin φ.
Предельное сопротивление оснований, сложенных неконсолидированными глинистыми грунтами, для прямоугольных фундаментов при l ≤ 3bможно определять по формуле (6.3), полагая φ = 0 и ξc = 1 + 0,11 / η . Допущение φ = 0 связано с предположением наибольшего значения порового давления в медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтах и идет в запас прочности.
Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания, сложенного скальными грунтами, определяют по формуле (6.5):
Nu. = Rc b'l' , (6.5)
где Rc - расчетная прочность образца грунта на одноосное сжатие.