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; γс— коэффициент условий работы, принимается по табл. 8.12; Fu — сила предельного сопротивления (равнодействующая предельной нагрузки) основания; γn— 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*)
Вид грунта | γс |
Пески пылеватые, глинистые грунты в стабилизированном состоянии | 0,9 |
Пески (кроме пылеватых) | 1,0 |
Глинистые грунты в нестабилизированном состоянии | 0,85 |
Скальный грунт: невыветрелый и слабовыветрелый выветрелый сильновыветрелый |
1,0 0,9 0,8 |
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 Sr> 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 Nu 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 еb и еl — эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок (рис. 8.13); Nγ, Nq, Nc — 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);
ζγ, ζq, ζc — 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 Nγ, Nq, Nc
Угол внутреннего трения φI, град. |
Коэффи- циент |
Угол наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки δ, град. | ||||||||
0 | 0 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
0 | Nγ
Nq Nc |
0,00 1,00 5,14 |
||||||||
5 | Nγ
Nq Nc |
0,20 1,57 6,49 |
{0,05} 1,26 2,93 |
δ' = 4,9º | ||||||
10 | Nγ
Nq Nc |
0,60 2,47 8,34 |
0,42 2,16 6,57 |
{0,12} 1,60 3,38 |
δ'=9,8º | |||||
15 | 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'=14,5º | ||||
20 | Nγ
Nq Nc |
2,18 5,56 12,53 |
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'=18,9º | |||
25 | Nγ
Nq Nc |
4,50 9,17 17,53 |
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'=22,9º | ||
30 | Nγ
Nq Nc |
12,39 18,40 30,14 |
9,43 15,63 25,34 |
6,42 12,94 20,68 |
4,44 10,37 16,23 |
2,63 7,96 12,05 |
1,29 5,67 8,09 |
{0,95} 4,95 6,85 |
δ'=26,5º | |
35 | 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'=29,8º | |
40 | Nγ
Nq Nc |
66,01 64,19 73,31 |
48,30 52,71 61,63 |
33,84 42,37 49,31 |
22,56 33,26 38,45 |
44,18 25,39 29,07 |
8,26 18,70 21,10 |
4,30 13,11 14,43 |
{2,79} 10,45 11,27 |
δ'=32,7º |
45 | Nγ
Nq Nc |
177,61 134,87 133,87 |
126 108,2 107,2 |
86,20 85,16 84,66 |
56,50 65,58 64,58 |
32,26 49,26 48,26 |
20,73 35,93 34,93 |
11,26 25,24 24,24 |
5,45 16,82 15,82 |
{5,22} 16,42 15,82 |
Примечание. |
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 Fh и Fv — 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 Nu вычисляется по формуле
(8.63)
где Rc — расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта; b' и l' — то же, что в формулах (8.59), (8.60).
Пример 8.6. Рассчитать по несущей способности основание фундамента опоры акведука
Пример 8.6. Рассчитать по несущей способности основание фундамента опоры акведука (сооружение II класса). Глубина заложения фундамента d = 1,6 м, размеры подошвы фундамента lхb = 2,4x1,8 м. Нагрузки на уровне подошвы фундамента Fv = 880 кН; Fh = 140 кН; М = 160 кН·м. Характеристики грунта основания для расчета по несущей способности: удельный вес грунта γI = 18,2 кН/м3, удельное сцепление СI = 12 кПа, угол внутреннего грения φI = 20°.