Опрокидывание фундамента: причины и расчет

В процессе эксплуатации здания оно подвергается постоянным нагрузкам, горизонтальным и вертикальным. Первые стремятся сдвинуть фундамент относительно опорных точек, вторые – опрокинуть его.

Опрокидывание фундамента – опасный и нередко встречающийся фактор, который резко снижает надёжность и долговечность каркаса дома.

Опасность такого явления заключается в том, что, если скольжение может быть легко отслежено по постепенно проявляющимся трещинам в фундаменте, то опрокидывание происходит менее заметно: основание вначале проседает, затем наклоняется и, наконец, переворачивается. Ввиду практически нулевой пластичности бетона, основание разрушается, а дом становится непригодным для жилья.

Причины проблем

Прежде, чем приступить к расчетам, нужно понять причины опрокидывания основания и саму суть процесса. При наличии центральной плиты, на которую опираются стойки каркаса, можно выделить три основных причины:

• Неоднородная геомеханика грунта, часть которого имеет пониженную несущую способность.
• Неравномерно распределённые по площади эксплуатационные нагрузки.
• Поверхностный учёт внешних вертикальных усилий.

Вероятность опрокидывания увеличивается при возведении частных малоэтажных зданий и не встречается при проектировании многоэтажных домов, чему предшествует тщательное компьютерное моделирование условий эксплуатации здания. Впрочем, пространственные 3D-модели все шире применяются и при разработке проектов частных домов.

Стадии разрушения фундамента одноэтажного дома при возникновении опрокидывающего момента:

Рассмотрим причины опрокидывания фундамента более подробно.

Неверный выбор грунта

Недооценка возможностей почвы в районе строительства нередко вызвана отсутствием другого свободного места для строительства, а также эмоциональными впечатлениями от участка (живописная местность, удалённость от автотрассы, хорошая экология, чистый воздух, водоём и пр.). При этом никто не утверждает, что на таких площадях невозможно построить дом. Можно, но только при обязательном условии усиления грунта.

Укрепление грунта под фундаментом методом инъектирования:

Отрицательно на стойкости скажется также неравномерная осадка кладки, причиной которой будут:

1. Движение влаги в поверхностных слоях почвы.
2. Чрезмерные вертикальные составляющие усилий.
3. Периодические перемещения грунта (это не обязательно землетрясения, могут быть и оползни).
4. Повышенная влажность воздуха от испарений влаги кустарниками и/или деревьями.
5. Наличие зон длительного скопления воды после интенсивных атмосферных осадков (характерно только для глинистых почв).

Из этого следует, что возводить частный дом в малоизученной с вышеперечисленных точек зрения местности – предприятие весьма рискованное.

Основные направления профилактических работ:

• Тщательное укрепление стенок траншей (при ленточном фундаменте) и шурфование грунта с целью получения кернов в опорных точках — для плитного. Геомеханические показатели проб, взятых во всех угловых зонах, должны быть примерно одинаковыми.
• Определение эксплуатационных нагрузок от мебели, кухонных устройств, сантехнических коммуникаций, элементов систем отопления и пр. Ясно, что всё это должно быть равномерно распределено по площади дома, причём пропорционально несущей способности грунта.
• Моделирование вертикальных усилий и опрокидывающих моментов (их может быть несколько).

Виды опрокидывающих моментов

Как уже было показано ранее, опрокидыванию предшествует осадка всего фундамента или его части. Осадка может происходить по одному из трёх механизмов: общее или частичное продавливание грунта, либо разрушение фундамента от напряжений сдвига. Мониторинг опрокидывания характеризуется следующими особенностями:

• Общее разрушение при сдвиге имеёт явно выраженные границы.
• Нагрузка отказа четко определена.
• Прилегающий к фундаменту грунт вздувается.
• Опрокидывание происходит внезапно и сопровождается тяжёлыми последствиями.

Общее опрокидывание встречается чаще всего на жёстких глинистых почвах или не плотных супесях: оно характерно лишь для фундаментов неглубокого залегания.

Опрокидывающий момент в результате продавливания возникает иначе: момент начала разрушения определить нелегко, вертикальная нагрузка с ростом вертикального перемещения основания возрастает постепенно, поэтому её критическое значение без специальной высокочувствительной техники определить невозможно. Почва не вздувается. С другой стороны такой вариант опрокидывания, как правило, не приводит к аварии, поскольку нагрузку по площади дома можно перераспределить, а фундамент в критичных зонах – усилить.

При таком виде опрокидывания фундамент вначале немного наклоняется, а затем – стабилизируется как по вертикали, так и по горизонтали. Характерно для оснований самой разной глубины, установленных в мягкой глине или в супесях средней плотности.

Местное опрокидывание со сдвигом характеризуется локальной деформацией фундамента, которая не зависит от распределения внешних сил по площади дома. Вздутия грунта могут наблюдаться только с боковых сторон. Такое опрокидывание наблюдается в жёстких глинистых почвах, супесях средней плотности; от глубины фундамента оно не зависит.

Последовательность определения опрокидывающего момента

Исходными данными служат:

1. Вертикальные силы Рв, стремящиеся развернуть фундамент вокруг собственной оси.
2. Силы Ру, удерживающие фундамент от опрокидывания.
3. Внешние эксплуатационные нагрузки Рвн.
4. Моменты Мг от горизонтальных сил сдвига.

Вертикальные силы определяются разницей в прочностных характеристиках грунта и материала фундамента, удерживающие силы связаны с силой трения между составляющими, внешние эксплуатационные силы оказывают влияние на точность приложения прокидывающего момента, а горизонтальные силы сдвига будут зависеть от наиболее экстремальных природных факторов в районе строительства.

Задача сводится к определению устойчивости фундамента, на который воздействуют все вышеперечисленные силы.

Учитывая, что параметр Мг активен только в пределах наибольшего габаритного размера lmax фундамента, должно соблюдаться неравенство: (Рв + Рвн + Мг/lmax)/Ру < 1

Степень превышения знаменателя над числителем обычно выражают через коэффициент безопасности kб: чем он меньше, тем меньше вероятность опрокидывания.

Поскольку ряд составляющих неравенства определить трудно, показатель kб обычно нормируют.

Как рассчитать коэффициент безопасности?

Коэффициент безопасности связан с допустимым давлением на смятие и определяет предельную несущую способность, что видно из уравнения:

kб = (kпр / Fs ) + g Df, где:

• Fs — коэффициент запаса прочности при сдвиге;
• gDf – эффективное давление на глубине фундамента Df;
• kпр – минимально допустимое значение коэффициента безопасности.

Требуемый запас прочности зависит от:

• Типа строения — постоянное или временное.
• Физико-механических свойств грунта:.
• Точности полученных данных (и, следовательно, допущений расчётов).
• Степени контроля качества при строительстве.

Разработана таблица, с помощью которой можно устанавливать нормативное значение kб при условии достаточной однородности грунтов. Нормы соответствуют фундаментам неглубокого залегания.

Типичные объекты	Характеристики	Исследование почвы
		Тщательное	Поверхностное
Железнодорожные мосты, склады, промышленное и сельскохозяйственное оборудование, гидроподпорные стены	Максимальная расчетная нагрузка может возникать часто, последствия отказа могут быть катастрофическими	3,0	4,0
Автодорожные мосты, лёгкие промышленные и общественные здания	Время от времени может возникать максимальная расчетная нагрузка, что может привести к серьёзным последствиям	2,5	3,5
Жилые дома и офисные помещения	Максимальная расчетная нагрузка маловероятна	2,0	3,0

Решение о выбранном значении коэффициента безопасности принимается только после надлежащей оценки надежности всех параметров, регулирующих поведение строительной конструкции. Эти параметры должны включать в себя все нагрузки, прочность и деформационные свойства грунта.

Вышеупомянутые значения могут снижаться до 75% со значением не менее 2 для временных конструкций. Наоборот, для дымоходов, где существует вероятность обрушения, рекомендуется увеличивать значение kб на 20…50 %.

Определение орокидывающего и удерживающего моментов

Выше было показано, что коэффициент безопасности при опрокидывании принимается как отношение момента удерживания Му к моменту опрокидывания Моп.

kб рассчитывается для каждой комбинации нагрузки на грунт, и для руководства принимается наименьшее значение для основания в каждой из комбинаций нагрузок.

Момент удерживания представляет собой сумму моментов, обусловленных каждым из следующих факторов:

• Осевыми нагрузками, действующими на плиту.
• Расчетными дополнительными нагрузками на фундамент.
• Собственным весом фундамента.

Опрокидывающий момент принимается как сумма моментов на вертикальном элементе каркаса и любого сдвига плиты, умноженная на расстояние от основания этого элемента до основания фундамента.

Собственный вес опоры может играть значительную роль в сопротивлении опрокидывающему моменту. Если пользователь решил не учитывать собственный вес фундамента во время анализа или установил вес бетонной единицы фундамента равным нулю, оптимизированный размер растянутого фундамента может быть значительно больше, чем ожидается, поскольку во внимание не принят вес фундамента.

Это замечание существенно для фундамента, поддерживающего вертикальные элементы каркаса, поскольку в этом случае при относительно небольшой осевой нагрузке наблюдается относительно большой базовый момент.

Технологии рассчитывания

Оптимальным соотношением трудоёмкость/точность характеризуются три метода – расчёт оснований, метод предельного состояния и метод внешних нагрузок. В последнее время начинает активно применяться метод компьютерного моделирования.

Расчет оснований

Здесь определяется фактическое отношение стабилизирующих моментов к дестабилизирующим, называемое коэффициентом устойчивости от опрокидывания.

Коэффициент безопасности представляет собой сумму моментов сопротивления, делённую на сумму моментов опрокидывания.

Входные данные для коэффициентов безопасности могут приниматься по умолчанию, но они должны быть пересмотрены и обновлены, если это необходимо по строительным требованиям, типу основания и потребностями проекта.

Расчёты коэффициента безопасности при опрокидывании основаны только на сочетаниях эксплуатационных нагрузок и рассчитываются для обеих плоскостей основания.

Вычисления производятся в предположении, что все вертикальные нагрузки являются стабилизирующими, которые способны создавать только стабилизирующий момент, в то время как все боковые сдвиги и моменты дестабилизируют конструкцию.

В данном случае осевые силы объединяются, образуя общую вертикальную нагрузку. Поскольку совокупное влияние осевых нагрузок считается стабилизирующим эффектом, момент сопротивления считается равным следующей формуле:

PxL/2, где:

• Р – сумма всех нагрузок на основание;
• L – наибольший габаритный размер основании в плане).

Метод внешних нагрузок

Метод включает рассмотрение каждого компонента нагрузки и последующее принятие решения о том, имеет ли результат стабилизирующий или дестабилизирующий эффект. Опрокидывающие моменты — это приложенные моменты, сдвигающие и подъёмные силы, которые стремятся сделать основание неустойчивым и перевернуть его.

Моменты сопротивления — это те моменты, которые сопротивляются опрокидыванию и стремятся стабилизировать опору. Проверки на опрокидывание выполняются для того, чтобы установить вероятность опрокидывания каждого края фундамента. Это важно для фундаментов с эксцентричными опорами, где вертикальные нагрузки для каждой грани будут иметь разные стабилизирующие эффекты.

Суммируя все моменты сопротивления, и сравнивая их с суммой всех моментов опрокидывания, мы получаем представление об истинной тенденции конструкции к опрокидыванию.

Для сравнения точности обоих методов достаточно умножить ветровую нагрузку на коэффициент, равный коэффициенту безопасности, и посмотреть, сохраняет ли фундамент свою работоспособность. Если влияние ветра (сдвига и подъёма) умножить, например, на коэффициент 3,0, полученный традиционным методом, то основание будет неустойчивым, а коэффициент запаса будет иметь отрицательное значение.

Метод предельных состояний

Находит применение при расчетах опрокидывающего момента и сдвиговой нагрузки на неустойчивых фундаментах. Прочие методы не могут справляться с ситуациями, когда комбинации нагрузок предельного уровня приводят к чистому опрокидыванию фундамента. Это связано с тем, что иные методы для получения значения опрокидывающего момента основываются на расчёте несущей способности грунта и требования к сдвигу фундамента.

Метод предельных состояний предполагает, что расчетный сдвиг и момент могут быть основаны на общей вертикальной нагрузке и чистом эксцентриситете этой нагрузки.

В этих случаях, когда равнодействующая отклоняется от основания, расчетная сила сдвига в основании будет постоянной, равной чистой равнодействующей за вычетом любых эффектов собственного веса или избыточной нагрузки.

Кроме того, основанием для расчетного момента на поверхности основания будет равнодействующая нагрузки, умноженная на расстояние от равнодействующей до поверхности плиты. Любой отрицательный эффект момента из-за собственного веса фундаментной плиты при определении окончательного расчетного момента вычитается из конечного результата.

Заключение

В статье проанализированы возможности, точность и границы применимости различных методов расчёта опрокидывающих моментов. Показано, что в основу любого из методов положен принцип безопасности конструкции. Он устанавливается по фактическому значению коэффициента безопасности и последующим сравнением его с нормативным/рекомендуемым показателем.