Что такое щелевые фундаменты и как их рассчитывать

Статья написана на основании основных положений Рекомендаций по проектированию и строительству щелевых фундаментов

Основные положения

Щелевые фундаменты представляют собой столбчатые опоры глубокого заложения, устраиваемые способом "стена в грунте", т.е. сооружаемые в узких траншеях, как правило, под защитой глинистого раствора (глинистой суспензии), удерживающего грунтовые стенки траншей от обрушения.

В литературе встречаются другие названия щелевых фундаментов: бареты, шлицевые фундаменты и др.

Щелевые фундаменты могут воспринимать значительные вертикальные и горизонтальные нагрузки в пределах допустимых деформаций. Поэтому они представляют собой наиболее рациональный вид опор для высотных зданий, заводских дымовых труб, транспортных эстакад и других сооружений, передающих значительные концентрированные нагрузки на основание.

Применение щелевых фундаментов наиболее эффективно в сложных геологических условиях, при высоком уровне грунтовых вод, а также на застроенных территориях.

Щелевые фундаменты выполняются в виде вертикальных несущих элементов ограниченной ширины в плане прямоугольного, крестообразного, таврового, коробчатого и др. поперечных сечений (рис.1), используемых отдельно или образующих фундаментные поля (рис.2).

Рис. 1 - Поперечные сечения щелевых фундаментов

Рис. 2 - Примеры устройства фундаментных полей с размещением щелевых фундаментов

В отдельных случаях щелевые фундаменты могут сооружаться в траншеях, отрываемых насухо без применения глинистого раствора. Это возможно в необводненных связных грунтах.

Толщина щелевых фундаментов соответствует ширине применяемых грейферов и обычно находится в пределах от 0,4 до 1 м. Длина щелевых фундаментов обычно равна величине максимального раскрытия челюстей грейфера или ее удвоенному значению плюс 40-80 см (перемычка между двумя захватками) и колеблется в пределах от 2 до 7 м.

Щелевые фундаменты обычно выполняются глубиной от 5 до 20-25 м. В отдельных случаях заложение щелевых фундаментов может достигать большей глубины (30-50 м).

Заглубление щелевого фундамента в слой грунта, на который опирается его подошва, должно быть не менее 0,5 м. Толщина этого слоя под подошвой щелевого фундамента должна быть не меньше пятикратной толщины последнего, а глубина заложения слоя не меньше глубины сжимаемой толщи (рис.3).

Рис. 3 - Расположение щелевого фундамента относительно слоев грунта

Щелевые фундаменты и их основания следует рассчитывать по первому и второму предельным состояниям (по несущей способности и по деформациям). Щелевые фундаменты рассчитывают по прочности, перемещениям и образованию или раскрытию трещин, а их основания - по несущей способности, устойчивости и осадкам.

Алгоритм расчета по несущей способности по материалу

1. Назначаем коэффициент безопасности по материалу k_МАТ = 1,0.

2. Назначаем коэффициент условий работы m = 0,8.

3. Назначаем коэффициент однородности бетона m_b , который принимаем равным m_b = 0,7 при бетонировании под глинистым раствором и m_b = 1,0 при бетонировании насухо.

4. Назначаем расчетное сопротивление бетона сжатию R_b , расчетное сопротивление арматуры сжатию R_sc , площадь вертикальной арматуры фундамента A_s и площадь подошвы фундамента F.

5. Вычисляем расчетное сопротивление фундамента по материалу по формуле:

6. Сравниваем действующую вертикальную нагрузку на фундамент N с предельной допускаемой нагрузкой с учетом коэффициента безопасности, т.е. проверяем условие:

Алгоритм расчета по несущей способности по грунту

1. Назначаем коэффициент безопасности по грутну k_ГР = 1,4, если несущая способность фундамента определяется по расчету, приведенному ниже, либо k_ГР = 1,25, если несущая способность фундамента определяется по результатам статических испытаний.

Статические испытания должны проводиться также и после расчета для его подтверждения. Допускается обойтись без статических испытаний, в следующих случаях:
- для зданий и сооружений III и IV классов при основаниях, сложенных горизонтальными выдержанными по толщине слоями грунта уклоном не более 0,1, сжимаемость которых ниже подошвы щелевого фундамента в пределах, равных его пятикратной толщины, не увеличивается;
- для зданий и сооружений, у которых найденное расчетом сопротивление по грунту имеет хотя бы трехкратный запас.

2. Назначаем коэффициент условий работы m = 1.

3. Назначаем коэффициент условий работы грунта под подошвой m_R , который принимаем равным m_R = 0,4 при бетонировании под глинистым раствором без удаления шлама со дна траншеи, m_R = 0,9 при бетонировании под глинистым раствором с удалением шлама со дна траншеи и m_R = 1,0 при бетонировании насухо.

4. Находим расчетное сопротивление грунта под подошвой R по табл. 1.

Табл. 1 - Расчетное сопротивление грунта под подошвой щелевого фундамента

5. Назначаем величины периметра подошвы u и площади подошвы F

6. Определяем коэффициент, зависящий от формы: от его длины l и толщины b по формуле:

Данный коэффициент учитывается только для глубин от низа воротника фундамента до (H - l), где H - глубина фундамента

7. Назначаем коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности m_f , который принимаем равным m_f - по табл. 2 при бетонировании под глинистым раствором, m_f = 0,7 при бетонировании насухо для НЕглинистых грунтов и m_f = 0,6 при бетонировании насухо для глинистых грунтов.

Табл. 2 - Коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности m_f

8. Для каждого из слоев грунта определяем расчетное сопротивление по боковой поверхности фундамента f_i по табл. 3, и принимаем не более 40 кПа.

Табл. 3 - Расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности m_f

9. Вычисляем расчетное сопротивление фундамента по грунту по формуле:

10. Сравниваем действующую вертикальную нагрузку на фундамент N с предельной допускаемой нагрузкой с учетом коэффициента безопасности, т.е. проверяем условие:

Алгоритм расчета по деформациям

Расчет по деформациям проводится согласно п. 5.6.5 СП 22.13330.2016 с тем отличием, что для щелевого фундамента, в силу его большой высоты и значительным сцеплением боковой поверхности с грунтом, характерно уменьшение осадки вследствие "висячей" работы боковых поверхностей.

1. Находим силу сопротивления грунта по боковой поверхности Q_f и силу сопротивления грунта по подошве Q_R по формулам:

2. Находим отношение Q_f / Q_R . Если Q_f / Q_R < 0,2, то подошву щелевого фундамента принимаем по ее фактическим размерам, и расчет ведем согласно положениям СП 22.13330.2016 без отклонений от нее.
Если же Q_f / Q_R > 0,2, то площадь подошвы фундамента, для которой будет производится поиск осадки, вычисляется по следующей формуле:

где a, b - размеры подошвы щелевого фундамента,
φ - средневзвешенное значение угла внутреннего трения слоев, которые прорезает боковая поверхность щелевого фундамента.

Найдя таким способом размеры подошвы (в данном случае это будет условной подошвой), расчет по осадкам далее ведется по СП 22.13330.2016. При этом важно иметь в виду, что при учете собственного веса фундамента при расчете осадки для фундамента с условной подошвой, в этот собственный вес также включается и вес грунта в объеме условного фундамента, т.е. включаются четуре треугольные грунтовые призмы с основаниями h⋅ tg(φ/4) и h, где h - высота щелевого фундамента, примыкающие к боковым поверхностям фундамента.

Примечание

При действии на фундамент горизонтальных нагрузок расчет фундамента должен производиться как упугого стержня-балки в деформируемой среде.