Несущая способность основания

Несущая способность грунтов оснований оценивается совместно с фундаментами и наземными конструкциями. Целью расчетов по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости грунтов основания, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Нарушение нормальной эксплуатации сооружений может произойти не только из-за накопления чрезмерных осадок, но также вследствие нарушения прочности основания при действии на фундамент значительных вертикальных и горизонтальных нагрузок. Таким образом, предельная нагрузка, которую способен выдержать грунт без разрушения, называется несущей способностью грунта.

На несущую способность основания влияют следующие факторы (по М.В. Малышеву, 1994):

• вид нагрузки — вертикальная или наклонная, с горизонтальной составляющей;
• эксцентричность приложения внешней нагрузки относительно центра тяжести площади подошвы фундамента;
• размеры подошвы фундамента;
• форма подошвы фундамента — прямоугольник, квадрат, круг, ленточный фундамент;
• заглубление фундамента в грунт относительно дневной поверхности;
• горизонтальность или уклон по отношению к горизонту плоскости подошвы фундамента (для фундаментов, воспринимающих сдвигающее усилие);
• горизонтальность или уклон по отношению к горизонту дневной поверхности основания вокруг фундамента в пределах области, в которой возможно выпирание грунта из-под фундамента;
• однородность грунтов основания, наличие горизонта подземных вод;
• темп нагружения и другие факторы.

Согласно СНиП 2.02.01—83* несущая способность основания считается обеспеченной при выполнении условия:

       (8.58)

где F — равнодействующая расчетной нагрузки на основание; γ_с— коэффициент условий работы, принимается по табл. 8.12; F_u — сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки) основания; γ_n— коэффициент надежности по назначению сооружения, принимается равным 1,2; 1,15; 1,10 для сооружений I, II и III классов соответственно.

Таблица 8.12. Значения коэффициента условий работы (СНиП 2.02.01—83*)

Расчет оснований по несущей способности производится в следующих случаях (по СНиП 2.02.01—83*):

• на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе систематические (дымовые трубы, башни, подпорные стены, устои и т.п.) (рис. 8.12 а, б);
• сооружение расположено на откосе или вблизи откоса (рис. 8.12 в, г);
• основание сложено водонасыщенными глинистыми грунтами при степени влажности S_r> 0,5 (рис. 8.12, д);
• при действии на фундамент выдергивающей нагрузкой;
• основание сложено скальными грунтами;
• при проверке устойчивости естественных склонов (см. рис. 8.12 е).

Рис. 8.12. Случаи, при которых необходим расчет грунтов по несущей способности:
а — дымовые трубы, башни; б — подпорные стены; в — здания или сооружения на откосе; г — вблизи откоса; д — неглубокое заложение; е — потеря устойчивости; γ— поверхность скольжения грунта при потере устойчивости

В настоящее время для определения вертикальной составляющей N_u силы предельного сопротивления (несущей способности) основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, используют обобщенную формулу

                 (8.59)

где b' и l' — соответственно приведенные ширина и длина подошвы фундамента, вычисляемые по формулам

            (8.60)

где е_b и е_l — эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок (рис. 8.13); N_γ, N_q, N_c — безразмерные коэффициенты несущей способности, определяемые по табл. 8.13 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта _I и угла наклона к вертикальной S равнодействующей внешней нагрузки F на основание b уровня подошвы фундамента (рис. 8.14); γ₁ и γ'_I — расчетный удельный вес грунтов, залегающих в пределах призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента (при наличии подземных вод учитывается взвешивающее действие воды); d — глубина заложения фундамента, причем при неодинаковой вертикальной пригрузке с разных сторон фундамента значение d принимают соответствующим наименьшей пригрузки (см. рис. 8.14,а);

ζ_γ, ζ_q, ζ_c — коэффициенты формы фундамента, определяемые по формулам:

     (8.61)

где η= l/b

Если η< 1, то в формулах (8.61) η принимается равным 1; при η > 5 фундамент рассматривается как работающий в условиях плоской задачи, тогда

ζγ = ζq = ζc = 1

Таблица 8.13 Коэффициенты несущей способности N_γ, N_q, N_c

Рис. 8.13. Схема к определению приведенных размеров подошвы фундамента:
а — прямоугольный фундамент при действии момента в направлении меньшей стороны поперечной оси; б — то же, в направлении большей стороны (продольной оси); в — то же, в двух направлениях; г — круглый фундамент

Рис. 8.14. Схема к расчету оснований по несущей способности

Угол наклона к вертикали δ равнодействующей нагрузки, прикладываемой к основанию (см. рис. 8.14), определяют из соотношения:

         (8.62)

где F_h и F_v — соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие нагрузки, действующей на основание в уровне подошвы фундамента. Расчет оснований по формуле (8.59) допускается выполнять, если соблюдается условие (8.46). В случае невыполнения данного условия (8.46), необходимо производить расчет фундамента на сдвиг по подошве.

Для оснований, сложенных скальными грунтами, вертикальная составляющая силы предельного сопротивления N_u вычисляется по формуле

     (8.63)

где R_c — расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта; b' и l' — то же, что в формулах (8.59), (8.60).