Расчет основания фундамента – это совокупность двух геотехнических расчетов: расчета основания по несущей способности и расчета основания по деформациям.
Расчет основания по несущей способности выполняется для того, чтобы исключить разрушение грунтового основания.
Расчет основания по деформациям выполняется для того, чтобы деформации грунтового основания не превышали предельно допустимых значений.
Нормативная база
Грунтовое основание является самым ответственным элементом конструктивной системы любого здания и сооружения. Именно по этой причине расчет основания фундамента должен выполняться в строгом соответствии с действующими нормативными документами. Важно заметить, что российские геотехнические нормы являются одними из лучших в мире, поэтому при проектировании объектов рекомендуем ориентироваться на результаты расчетов, выполненных по нашим сводам правил (далее СП). Расчет основания фундамента выполняется в соответствии со следующими основными нормативными документами:
Исходные данные
Расчет основания фундамента производится на основании следующих основных исходных данных:
- Отчет по результатам инженерно-геологических изысканий;
- Топографический план с привязкой проектируемого фундамента;
- Сведения о нагрузках и воздействиях на фундамент.
Важно заметить, что любой расчет будет иметь смысл только в том случае, если исходные данные будут достоверными. Следует обратить внимание на пункт 5.3.4 СП 22.13330.2016: «Характеристики грунтов природного сложения, а также искусственного происхождения следует определять для сооружений геотехнической категории 2 и 3 на основе их непосредственных испытаний в полевых и лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений».
Методы расчета
Расчет основания фундамента может быть выполнен аналитическими или численными методами.
Аналитические методы – это готовые формулы, которые приведены в нормативных документах и научно-технической литературе. Необходимо правильно подставить исходные данные, и правильно произвести несложные вычисления. Аналитические методы, заложенные в наших нормах, позволяют получать точные, надежные и безопасные результаты, однако они не универсальны, поэтому прежде чем их применять, необходимо убедиться, что такое применение правомерно.
Численные методы – это, главным образом, метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в геотехнических программных комплексах. В отличие от аналитических методов, численные методы почти не имеют ограничений: можно выполнить расчет основания при сложном напластовании грунтов, с учетом любых нагрузок и граничных условий. Применение численных методов требует высокой квалификации, необходимы глубокие знания механики сплошных сред, механики грунтов, вычислительной математики.
Расчет по несущей способности
Расчет несущей способности основания фундамента выполняется по трехчленной формуле Терцаги, это формула 5.32 в СП 22.13330.2016. Отметим интересный факт: изначально формула Терцаги была получена в результате аппроксимации экспериментальных данных, а впоследствии данная формула только совершенствовалась на основании результатов теоретических решений и новых экспериментальных данных. Формула крайне удобна в практическом применении, и может быть использована для решения многих проектных задач.
В тех случаях, когда отсутствуют готовые формулы для расчета несущей способности основания, необходимо использовать численные методы. Примеры таких случаев и основные подходы по расчету несущей способности основания приведены в этой статье. На практике, чаще всего, применяют упругопластический расчет методом конечных элементов с использованием процедуры снижения прочностных характеристик (Strength Reduction Method — SRM).
Суть метода редукции (SRM) заключается в постепенном снижении удельного сцепления и угла внутреннего трения грунтов, до тех пор пока вычисления не перестанут сходиться — такой момент считается моментом разрушения основания. Ниже показан пример результатов расчета несущей способности основания ленточного фундамента МКЭ с использованием процедуры SRM.
Результат расчета несущей способности основания фундамента численными методами (МКЭ + SRM). Схема потенциального разрушения грунтового основания ленточного фундамента
Расчет по деформациям
Расчет основания фундамента по деформациям выполняется методом послойного суммирования (формула 5.16 СП 22.13330.2016), который позволяет учесть напластование грунтов, обладающих разной сжимаемостью.
Прежде чем рассчитывать осадку фундамента указанным выше методом, необходимо убедиться, что давление под подошвой фундамента не превышает расчетного сопротивления грунта основания R (формула 5.7 СП 22.13330.2016).
Необходимость определения расчетного сопротивления грунта определяется тем обстоятельством, что метод послойного суммирования получен на основании решений теории линейно-деформируемой среды, которая описывает работу грунта в первой фазе деформирования по Н.М. Герсеванову – фазе уплотнения.
Строго говоря, давление под подошвой фундамента должно не превышать первой критической нагрузки (по проф. Н.П. Пузыревскому), при которой пластические деформации в основании отсутствуют. Однако на практике допускают развитие пластических деформаций на глубину в четверть ширины фундамента, что и соответствует расчетному сопротивлению грунта R.
Более точный расчет основания по деформациям, позволяющий детально учесть совместную работу сооружения с основанием и историю формирования напряженно-деформированного состояния, может быть выполнен в ходе упругопластического анализа методом конечных элементов. Ниже показан пример результатов упругопластического расчета основания ленточного фундамента, выполненного МКЭ.
Результат расчета основания фундамента по деформациям численными методами (МКЭ + упругопластический анализ). Изополя суммарных перемещений и деформированный вид системы
Бесплатные калькуляторы
Расчет основания фундамента на предпроектном этапе может быть выполнен с помощью бесплатных калькуляторов, в которых реализованы аналитические методы расчета. Ниже приведены ссылки на онлайн калькуляторы, правильность расчета которых мы по возможности проверили.
Фундаменты мелкого заложения
Свайные фундаменты
Пример расчета
Расчет основания фундамента рассмотрим на пример одного из наших объектов. Осадки и крены фундамента дымовой трубы значительно превысили проектные значения, что было установлены в ходе геотехнического мониторинга. Заказчик обратился к нам с целью установления причин сложившейся ситуации. В качестве исходных данных были предоставлены:
- материалы технического обследования фундамента и основания;
- отчет по инженерно-геологическим изысканиям;
- проектные материалы в объеме КР, КЖ.
Краткая характеристика фундамента: проектом предусмотрен массивный фундамент мелкого заложения на естественном основании, представленном водонасыщенными глинистыми грунтами. Максимальные размеры фундамента в плане составляют 8,1х8,1м. Глубина заложения фундамента – 3,55м. Фундамент устраивается по щебеночной подушке толщиной 600мм. Нагрузки на фундамент следующие: N(min)= 23,5тс; N(max)=38тс; M=207тс*м; Q=10,9тс.
С целью выявления причин деформаций грунтового основания, превышающих проектные значения, был выполнен поверочный расчет основания численными методами, упругопластический анализ методом конечных элементов. Согласно результатам расчетов, осадки и крены фундамента, действительно, значительно превышают проектные значения:
- коэффициент запаса по несущей способности основания 1,74 (проектное значение – 2,80).
- максимальная осадка 12,58 см (проектное значение – 8,11 см);
- крен фундамента 0,006 (проектное значение — 0,004);
В соответствии с таблицей Г.1 СП 22.13330.2016 для дымовой трубы высотой 35,0м предельные деформации основания составляют: максимальная осадка – 40 см; крен – 0,005.
Таким образом, основная причина деформаций основания, значительно превышающих проектные значения, заключается в ошибках, допущенных при проектировании фундамента дымовой трубы: при выполнении расчетов и разработке проектных решений проектировщики не учли особенности слабых водонасыщенных глинистых грунтов основания. Эти особенности хорошо описаны в этой работе и подлежат обязательному учету.
