Технический бюллетень за февраль | Эксперты Advantage по структурной гарантии

В выпуске информационного бюллетеня AHCI Ltd за этот месяц мы даем информацию о некоторых различных решениях для фундаментов, которые в настоящее время широко используются в строительной отрасли, и о том, какие факторы повлияют на окончательный выбор фундамента на этапе проектирования. Мы также предоставим информацию о действующих правилах и британских стандартах, предназначенных для обеспечения того, чтобы фундаменты соответствовали своему назначению. Ошибки на этой ранней стадии процесса строительства могут оказаться дорогостоящими, чтобы исправить их задним числом, и нанести ущерб структуре и долговечности здания.

По существу, функция фундаментов состоит в том, чтобы обеспечить эффективную и сбалансированную передачу конструкционных нагрузок, действующих на грунт, поддерживающий здание, при этом предотвращая перенапряжение этого грунта. Субстраты земли будут выступать в качестве одного из наиболее важных факторов при выборе фундамента.

Рисунок 1: Таблица несущей способности

ЛЕНТОЧНЫЙ ФУНДАМЕНТ

Ленточный фундамент – один из самых распространенных видов фундамента. Как правило, они используются для грунта с хорошей несущей способностью грунта. Ленточные фундаменты предназначены для сооружений с относительно небольшой нагрузкой, например, жилых домов малой и средней этажности. Традиционная форма строительства большинства домов допускает использование ленточного фундамента.

Ленточные фундаменты состоят из сплошной полосы бетона, образованной по центру под несущими стенами. Непрерывная полоса действует как опора, для которой строятся стены, и имеет такую ​​ширину, чтобы равномерно распределять нагрузку здания на землю под ним, поддерживая его. Это известно как «равномерно распределенная нагрузка» (UDL) и относится к равномерной передаче нагрузки конструкции на уровне фундамента на грунт, способный выдержать нагрузку без чрезмерного уплотнения (см. Таблицу ленточного фундамента).

Рисунок 2: Минимальная ширина таблицы ленточных фундаментов
«Утвержденный документ А» Строительных норм и правил дает рекомендации по минимальной ширине ленточного фундамента.

Минимальные требования к глубине ленточных фундаментов диктуются местными грунтовыми условиями, но, как правило, глубина этих фундаментов должна быть не менее 450 мм ниже уровня чистового грунта во избежание повреждений от действия мороза в морозостойком грунте. (См. BS8004 для правильных указаний по глубине и ширине фундаментов)

ГЛУБОКИЕ ФУНДАМЕНТЫ – СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Сваи часто описывают как колонны в земле. Они могут быть непопулярным выбором фундамента из-за потребности в тяжелом оборудовании, а также затрат и дополнительного времени, которые это требует. Для участков с менее благоприятными грунтовыми условиями свайные фундаменты часто являются единственным приемлемым решением, если проект должен начаться. Свайные фундаменты устанавливаются там, где качество грунта близко к поверхности плохое или непостоянное. Необходимость такого более глубокого фундамента в этих условиях часто бывает обязательной. Обычно свайные фундаменты делятся на 2 разных типа, и они различаются по типу из-за метода установки в рассрочку;

СДВИЖНЫЕ СВАИ (ЗАБИВАЕМЫЕ)

Сваи смещения устанавливаются путем забивания или забивания сплошной сваи или полой обсадной трубы в более глубокие слои основания, что приводит к смещению окружающего грунта. Этот метод забивания сваи в землю требует больших усилий и энергии. Для этого процесса обычно используется приводная установка. Этот метод может создавать трудности из-за уровня шума и вибрации, возникающих в результате движения. Эти нежелательные характеристики часто делают этот метод непригодным для перегруженных участков, где соседние здания могут быть структурно затронуты, или районов, где неприятный шум запрещен. (Свод практических правил, BS 5228 конкретно касается шума и вибрации свай).

ЗАМЕНА СВАИ (БУРОСТАВЛЯЕМЫЕ)

Напротив, сменные сваи устанавливаются путем удаления объема грунта и «замены» его сваями, поддерживающими нагрузку. Почва удаляется с помощью полого утяжеленного грейфера или роторного бурового шнека. Выемка предотвращается от обрушения путем введения полой оболочки, обычно сделанной из стали, или вязкой жидкости, бентонита. Затем бентонит вытесняется бетоном при заливке в котлован. Существует четыре основных формы сменных свай, см. Ниже;

• Буронабивные монолитные сваи (малого диаметра)
• Буронабивные монолитные сваи (большого диаметра)
• Висячие сваи и опорные сваи
• Инъекционные сваи

СОЕДИНЕНИЕ СО СВАЯМИ

Во многих случаях сваи подвергаются точечным нагрузкам. Часто бывает так, что нагрузка здания превышает мощность одной свайной колонны. Поэтому сваи часто группируются вместе, чтобы выдержать приложенную нагрузку. Соединения с концами свай называются оголовками свай, они используются для соединения оголовков соседних свай и обеспечения платформы для нагрузки здания. Заземляющие балки вводятся в соединения свай для того, чтобы равномерно распределить нагрузку (UDL) традиционных жилых домов, таким образом, выступая в качестве подходящего интерфейса между стенами и сваями.

Грунтовая балка обычно отливается на месте с помощью опалубки вокруг оголовков свай. Бетон заливается в опалубку и обычно армируется кольцевой балкой из стальной арматуры. Бетонные прокладки устанавливаются на стальную арматуру, чтобы гарантировать, что при схватывании бетона будет достаточно покрытия стали, чтобы избежать коррозии стали (см. BS 7937 для руководства по бетонным прокладкам).

В заключение, свайные фундаменты должны быть установлены соответствующим специалистом под наблюдением инженера-строителя. Все сваи должны соответствовать расчетной нагрузке. После установки сваи должны быть проверены на целостность, чтобы убедиться, что сваи могут выдержать назначенную нагрузку.

Рисунок 3: Бурдж-Халифа, Дубай.
Бурдж-Халифа названа самым высоким зданием в мире, его общая высота составляет 829.8 м, а высота – 163 этажа. В фундаменте используется глубокая свайно-ростверковая система, как ростверк толщиной 3.7 метра, так и 192 буронабивные сваи.

СПЛОШНОЙ ФУНДАМЕНТ

Проекты плотного фундамента могут быть предложены и представлены инженером с соответствующей квалификацией, если они соответствуют цели и рентабельны. Очень важно, чтобы плитный фундамент обеспечивал достаточную несущую способность и учитывал скрытые характеристики осадки, которые часто зависят от состава слоев. Приложенная нагрузка распределяется по более широкой области, обычно по всей площади основания, и можно считать, что она «плавает» по земле, подобно плоту, плавающему по воде.

Они построены с использованием железобетонных плит одинаковой толщины по всей длине, как правило, 150-300 мм с водонепроницаемой мембраной сверху. Чтобы свести к минимуму вероятность образования трещин, в бетонную плиту можно интегрировать стальную арматуру, этот метод более экономичен по сравнению с регулировкой толщины плиты. Особенно там, где есть сложные грунтовые условия (загрязнение, грунтовые воды, деревья и т. д.) или где требуется дополнительная опора для определенных нагрузок. Типы ростверка следующие:

• Плот из массивной плиты,
• Свайный плот,
• Плитно-балочный плот,
• Сотовый плот.

Используемый тип будет соответственно зависеть от характера и характеристик рассматриваемой предлагаемой схемы, некоторые факторы включают:

• Есть ли подвал?
• Площадь пола, высота и нагрузки,
• Дифференциальный расчет,
• При невозможности устройства отдельных ленточных фундаментов для покрытия площади основания,
• Там, где нет возможности копать на большую глубину.

В целом, фундамент Raft объединяет плиту перекрытия с фундаментом, что приводит к меньшему расходу материалов и времени, что, в свою очередь, снижает стоимость. При этом они иногда могут быть подвержены эрозии по краям и, как правило, менее эффективны в зонах концентрированных конструкционных нагрузок.

Хотите узнать больше? Свяжитесь с одним из наших специалистов по гарантии структурных дефектов сегодня, чтобы обсудить ваши требования по телефону 0845 900 3969

Системы фундаментов для высотных сооружений

Распечатать ISBN: 9781498744775
ISBN электронной книги: 9781315368870
Adobe ISBN:

Абстрактные

Насыпные фундаменты относятся к компонентам фундамента, которые передают свои нагрузки на грунт только нормальными напряжениями и напряжениями сдвига. Насыпные фундаменты – это одиночные фундаменты, ленточные фундаменты или плитные фундаменты. Требованием к насыпным фундаментам является несущая способность основания под основанием фундамента. Если грунт имеет недостаточную несущую способность, требуется улучшение грунта или альтернативные системы фундамента.

Распространение фондов

Насыпные фундаменты относятся к компонентам фундамента, которые передают свои нагрузки на грунт только нормальными напряжениями и напряжениями сдвига. Насыпные фундаменты – это одиночные фундаменты, ленточные фундаменты или плитные фундаменты. Требованием к насыпным фундаментам является несущая способность основания под основанием фундамента. Если грунт имеет недостаточную несущую способность, требуется улучшение грунта или альтернативные системы фундамента.

В основном, глубина уровня фундамента указывается для обеспечения безморозного фундамента. В Германии это не менее 80 см ниже поверхности. Информация о различных региональных глубинах промерзания содержится в [1–3].

• Выщелачивание
• Уменьшение насыпной плотности дрейфовой водой
• вымачивание
• Циклическая заморозка и разморозка

Перед установкой глухого бетона уровень фундамента должен быть проверен экспертом-геотехником.

3.1 Одиночные и ленточные фундаменты

Для раскопок одиночных нагрузок, таких как колонны, используются одинарные фундаменты. Ленточные фундаменты используются для линейных нагрузок. Оба типа настила фундамента могут быть спроектированы как с усилением, так и без него, при этом предпочтение отдается усиленному фундаменту из-за его большей прочности. На рис. 3.1 показаны два типа фундаментов.

Как правило, достаточно проектирования одинарных и ленточных фундаментов по контактному давлению. В большинстве случаев контактное давление можно определить методом трапеций напряжений. Деформации грунта и здания, а также взаимодействие грунта с конструкцией не учитываются.

Рисунок 3.1 Одиночный и ленточный фундамент.

3.2 Сплошные фундаменты

Сплошные фундаменты используются, когда сетка нагрузок густая, а деформации грунта и конструкции должны быть однородными. Лестничные фундаменты могут использоваться как часть так называемого белого желоба или в сочетании с дополнительной системой герметизации (например, битумными слоями) для предотвращения притока грунтовых вод [4–7].

Толщина железобетонной плиты зависит от изгибающего момента, а также от пробивных (сосредоточенных нагрузок). Увеличение толщины плиты или устройство бетонных выступов позволяет избежать поперечной арматуры. Для предотвращения притока грунтовых вод или защиты от погодных условий ширина трещин в бетоне должна быть ограничена. В любом случае установка строительных швов, компенсационных швов и осадочных швов должна быть точно спланирована и контролироваться на этапе строительства.

3.3 Геотехнический анализ

3.3.1 Основы

Для геотехнического анализа SLS и ULS используются две разные теоретические модели. Для анализа предельного состояния устойчивости (SLS) рассматривается поведение линейно-упругого материала грунта. Напротив, для расчета предельного состояния по несущей способности (ULS) рассматривается поведение жесткопластического материала грунта. Эта проблема с настилом фундамента поясняется на рис. 3.2.

• Общая стабильность
• Скольжение

Рис. 3.2. Кривая зависимости нагрузки от фундамента.

Если фундаменты настила расположены в районе насыпей, необходим анализ обрушения откосов. Должен быть рассмотрен каждый возможный механизм разрушения (круги скольжения, сложные механизмы разрушения) [12–14].

В простых случаях и при определенных условиях инженерно-геологический расчет настилаемых фундаментов может производиться на основе нормативных табличных значений. Стандартные табличные значения учитывают анализ безопасности от отказов и вредных осадок [10].

3.3.2 Распределение контактного давления

Знание распределения контактного давления является основой для анализа настила фундаментов. Доступны следующие процедуры расчета [15,16].

• Распределение контактного давления под жесткими основаниями по Буссинеску [17]
• Метод стрессовой трапеции
• Метод модуля реакции грунтового основания
• Метод модуля жесткости
• Численные методы, например, метод конечных элементов

Распределение контактного давления под жесткими фундаментами по Буссинеску (а) предполагает теоретически бесконечно большие напряжения на краю фундамента, которые не могут возникнуть из-за процессов переноса в грунте под фундаментом. Этот метод применим только в простых случаях.

Самой простой процедурой является метод трапеции напряжений (b), поскольку предполагается только линейное распределение напряжений. Распределение контактного давления как следствие метода трапеции напряжения является полезным подходом при использовании небольших фундаментов и малой глубины фундамента.

Метод модуля реакции грунтового основания (в) и метод модуля жесткости (г) подходят, если глубина фундамента большая. Может применяться для одинарного, ленточного и ростверкового фундаментов. При использовании метода модуля реакции грунтового основания грунт рассматривается как система независимых пружин. Равномерная нагрузка приводит к равномерной осадке без провала осадки. При использовании метода модуля жесткости грунт рассматривается как упругое полупространство с системой связанных пружин. Равномерная нагрузка приводит к осадочному желобу. Метод модуля жесткости приводит к наиболее реалистичному распределению контактного давления.

Методы расчета от (a) до (d) являются приблизительными решениями для определения распределения контактного давления под насыпным фундаментом. Этих методов обычно достаточно для анализа. Наиболее реалистичное распределение контактного давления дает численный анализ, поскольку можно учитывать жесткость конструкции, а также нелинейное поведение материала подпочвенного слоя.

Распределение контактного давления зависит от жесткости основания, а также от соотношения между нагрузкой и устойчивостью основания [18]. Потенциальные распределения контактного давления показаны на рис. 3.3. Случай (а) показывает распределение контактного давления при плохом использовании несущей способности. Когда нагрузка приближается к несущей способности, могут возникнуть два различных механизма отказа. В случае (b) нагрузка приводит к пластическому шарниру внутри фундамента, который вызывает перераспределение контактного давления. В этом случае несущая способность фундамента зависит от вращательной способности пластикового шарнира. В случае (c) нагрузка приводит к перераспределению контактного давления к центру фундамента, что приводит к разрушению основания.

Если фундамент не обладает достаточной пластичностью, следует хрупкое разрушение с превышением внутренней несущей способности, например, продавливание. Перераспределения контактного давления не произойдет.

Предположение о постоянном распределении контактного давления приводит к безопасным результатам для анализа ULS. Для анализа SLS предположение о постоянном распределении контактного давления приводит к небезопасным результатам.

На рис. 3.4 показаны впадина осадки, распределение контактного давления и кривая момента в зависимости от нагрузки. С ростом нагрузки постоянные осадки под фундамент сильно увеличиваются в центре. При этом контактное давление, сосредоточенное в краевой зоне, смещается к центру фундамента. Изгибающие моменты концентрируются под нагрузкой.

Рисунок 3.3 Распределение контактного давления под одинарными фундаментами. (а) Упругое поведение фундамента и грунта; (б) Пластиковый шарнир в фундаменте; (c) Базовый отказ. (Из Katzenbach, et al., Baugrund-Tragwerk-Interaktion. Handbuch für Bauingenieure: Technik, Organization und Wirtschaftlichkeit. Springer-Verlag, Heidelberg, Germany, 1471–1490, 2012.)

3.3.2.1 Жесткость системы

Для определения переменной внутренней силы необходимо проанализировать контактное давление, которое зависит от отношения жесткости конструкции к жесткости основания.

Рисунок 3.4 Качественная динамика деформаций и напряжений одиночного фундамента в зависимости от его нагрузки. а) деформация; (б) контактное давление; в) изгибающий момент. (Из Katzenbach, et al., Baugrund-Tragwerk-Interaktion. Handbuch für Bauingenieure: Technik, Organization und Wirtschaftlichkeit. Springer-Verlag, Heidelberg, Germany, 1471–1490, 2012.)

Рис. 3.5 Распределение контактного давления для мягкого (а) и жесткого (б) настила фундаментов.

Таблица 3.1 Различия между мягкими и жесткими фундаментами

Для слабых фундаментов распределение контактного давления соответствует распределению нагрузки. Для жестких оснований возникает нелинейное распределение контактного давления с высокими краевыми напряжениями (рис. 3.5). Различие между мягкими и жесткими фундаментами определяется жесткостью системы K по Кани, которая является значением для оценки взаимодействия между конструкцией и фундаментом (уравнение 3.1). Дифференциация указана в таблице 3.1 [16,21]. Жесткость системы K определяется по уравнению 3.2. Он определяется высотой элемента h, длиной l и модулем упругости строительного материала E._B, основанное в упругом изотропном полупространстве (рис. 3.6) [16–20]:

= модуль упругости конструкции [кН/м 2 ]

= геометрический момент инерции залитого фундамента [м 4 ]

= одометрический модуль подпочвы [кН/м 2 ]

= ширина засыпного фундамента [м]

= длина засыпного фундамента [м]

= высота залитого фундамента [м]

Рисунок 3.6 Размеры для определения жесткости системы.

Круглые фундаменты с высотой элемента h и диаметром d имеют жесткость системы K в соответствии с

При расчете фундаментов на широком фундаменте обычно используется только жесткость компонента фундамента для учета жесткости здания. Жесткость возвышающейся конструкции учитывается только в частных случаях.

Вне зависимости от положения и размеров нагрузки, жесткие настилочные фундаменты сохраняют свою форму. Распределение контактного давления имеет ярко выраженный нелинейный характер при больших краевых напряжениях (рис. 3.5).

Рисунок 3.7 Характерная точка прямоугольного настила фундамента.

Для жестких фундаментов, одиночных и ленточных фундаментов большой толщины распределение контактного давления можно определить по методу Буссинеска или по методу трапеции напряжений [16]. В противном случае становятся необходимыми более подробные исследования или достаточные консервативные предположения, которые находятся «на всякий случай».

3.3.2.2 Распределение контактного давления под жесткими основаниями по Буссинеску

Основываясь на предположении, что грунт моделируется как упругое изотропное полупространство, Буссинеск в 1885 г. разработал уравнения, которые в простых случаях можно использовать для жестких фундаментов [17].

Распределение контактного давления под жестким ленточным фундаментом шириной b определяется уравнением 3.4 (рис. 3.8). Для внецентренной нагрузки с эксцентриситетом e Боровицкая расширила следующие уравнения [22]:

Рис. 3.8 Распределение контактного давления под жесткими основаниями по Буссинеску.

Рис. 3.9 Распределение контактного давления под жесткими основаниями в результате действия центральных нагрузок на упругое изотропное полупространство

Для круглых и прямоугольных жестких настилочных фундаментов распределение контактного давления можно определить с помощью рис. 3.9.

На кромке настеленного фундамента возникают бесконечно большие напряжения. Из-за предельной несущей способности, определяемой прочностью грунта на сдвиг, эти пиковые напряжения не могут возникать. Грунт пластифицируется по краям фундаментов и напряжения смещаются к центру фундаментов [23].

3.3.2.3 Метод трапеции напряжений

Метод трапеции напряжения является статически определяемым методом и является самым старым для определения распределения контактного давления. Метод трапеции напряжения основан на балочной теории эластостатических принципов.

Распределение контактного давления определяется условиями равновесия ΣV и ΣM без учета деформаций здания или взаимодействий с грунтом соответственно. Грунт упрощен с линейным упругим поведением для расчета. Теоретически возможны даже большие краевые напряжения. Обнаружение снижения пиков напряжения из-за пластификации невозможно сразу. Все рассуждения основаны на предположении Бернулли о том, что сечения остаются плоскими.

Сила V является равнодействующей приложенной нагрузки, собственного веса и выталкивающей силы. Равнодействующая сил и контактных давлений имеют одну и ту же линию влияния и одинаковую величину, но направлены в противоположные стороны. Для определения распределения контактного давления произвольно разбросанного основания используется уравнение 3.7. Для осей координат используется произвольно прямоугольная система координат, где нулевая точка соответствует центру тяжести подграни (рис. 3.10) [24].

Рисунок 3.10 Система координат для контактного давления (метод трапеции напряжений).

3.7 σ 0 = VA + M y ⋅ I x – M x ⋅ I xy I x ⋅ I y – I xy 2 ⋅ x + M y ⋅ I x – M y ⋅ I xy I x ⋅ I y – I xy 2 ⋅ у

Если оси x и y являются главными осями системы координат, центробежный момент I_xy = 0. Уравнение 3.7 упрощается до следующего уравнения 3.8. Если результирующая сила V действует в центре тяжести основания, крутящие моменты M_x = М_y = 0. Результатом является постоянное распределение контактного давления в соответствии с уравнением 3.9.

Если эксцентриситет результирующих сил V слишком велик, теоретически возникают растягивающие напряжения, которые не поглощаются системой грунт-надстройка. Возникает открытый зазор. В этом случае уравнения с 3.7 по 3.9 неприменимы, и определение максимального контактного давления выполняется по следующему уравнению в сочетании с таблицей 3.2: