книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

тов в плане, количество и расположение свай, проектируются фун­ даменты для каждого варианта. Оценивают все виды работ по возведению фундаментов и, если нужно, по устройству искусствен­ ных оснований и других мероприятий, направленных на уменьше­ ние неравномерных деформаций основания. Проводится технико­ экономическое сравнение рассматриваемых вариантов и по миниму­ му приведенных затрат устанавливается оптимальное проектное решение.

В отдельных случаях, при соответствующем технико-экономи­ ческом обосновании, может быть принято и более дорогое решение, если это обеспечивает ускорение ввода объекта в действие и получе­ ние за счет этого дополнительных прибылей.

Конструирование сборных фундаментов рассматривается в по­ следующих главах учебника, а монолитных — в курсе железобетон­ ных конструкций.

9.2. Общая оценка взаимодействия сооружений

Оценка сооружений по жесткости. Здания, сооружения и их от­ дельные элементы в зависимости от чувствительности к деформаци­ ям основания условно разделяют на. три типа: гибкие, абсолютно жесткие и конечной жесткости.

Гибкие сооружения, передавая нагрузку на основание, беспрепя­ тственно следуют за осадкой так, что дополнительные усилия в их конструкциях практически не возникают. Идеальным примером подобного сооружения является земляная насыпь. Будучи возведена даже на слабых грунтах, она способна неравномерно деформи­ роваться вместе с ними без опасности разрушения. Для сохране­ ния проектных отметок ей придают строительный подъем на вели­ чину ожидаемых осадок или досыпают по мере деформирования. К тому же типу сооружений относятся днища металлических резер­ вуаров, эстакады и галереи с разрезными пролетными строениями ит. д.

Абсолютно жесткие сооружения, напротив, при деформациях основания не изгибаются, а дают осадку как единый массив, причем поверхность основания в границах подошвы сооружения остается плоской. К ним относятся дымовые трубы, массивные мостовые опоры, доменные печи и другие подобные сооружения, как правило, компактные в плане, установленные на массивном фундаменте. При действии моментной нагрузки или в случае неравномерно деформирующихся оснований кроме осадки может возникать крен сооружения. Как указывалось в § 5.2, контактные напряжения по подошве фундамента абсолютно жесткого сооружения существенно

251

неоднородны. Однако для массивных фундаментов, имеющих боль­ шой запас прочности на изгиб, они обычно не опасны.

Подавляющее большинство зданий и сооружений обладают ко­ нечной жесткостью (рамные и неразрезные железобетонные конст­ рукций, кирпичные, блочные и панельные дома и т. п.). Здесь уже неравномерные осадки основания сопровождаются искривлением сооружения, хотя жесткость сооружения до некоторой степени уме­ ньшает неравномерность осадок. В результате в несущих конструк­ циях возникают дополнительные усилия, которые при неправиль­ ном проектировании могут привести к появлению трещин и даже разрушению элементов конструкций.

Учет совместной работы сооружения н основания. Наиболее пол­ ной постановкой расчета взаимодействия сооружений конечной же­ сткости с основаниями был бы совместный расчет конструкции и основания. В принципе это возможно с помощью изложенных в гл. 8 численных методов, и отдельные случаи таких решений в строительной практике имеются.

Однако наиболее распространенными в настоящее время и рег­ ламентируемыми действующими нормами являются расчет по де­ формациям оснований отдельных фундаментов и оценка на этой основе деформаций всего сооружения. Целью расчета является ограничение абсолютных и относительных перемещений фунда­ ментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность. Нагрузки, передающиеся сооружени­ ем на фундамент, как правило, определяются с учетом их перерасп­ ределения конструкцией сооружения. Одновременно при необходи­ мости прочность и трещиностойкость фундаментов и надфунда­ ментных конструкций проверяются расчетом на действие усилий, которые возникают при совместной работе сооружений и осно­ вания.

Значения^предельных деформаций зависят от конструктивных особенностей сооружения и определяются действующими нормами или заданием на проектирование. Более подробно .этот вопрос будет рассмотрен в § 9.3.

Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах. Усилия, пе­ редаваемые сооружением на фундаменты, устанавливаются в соот­ ветствии со СНиП 2.01.07 — 85 «Нагрузки и воздействия». Для зданий и сооружений III класса при расчетах средних значений деформаций основания или деформаций основания в стадии привяз­ ки типового проекта к местным грунтовым условиям допускается определять нагрузки без учета их перераспределения надфундаментной конструкцией. В остальных случаях такой учет должен выпол­ няться.

Следует иметь в виду, что нагрузки, устанавливаемые СНиПом, соответствуют нормативным их значениям. Расчеты оснований про­

252

изводятся по расчетным значениям нагрузок, которые определяют­ ся как произведение нормативных нагрузок на коэффициент надеж­ ности по нагрузке yf, учитывающий возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону от их нормативных значений. Значения коэффициентов yf при расчетах оснований по несущей способности и для различных случаев изменяются от 1 до 1,4. При расчетах оснований по деформациям значение этого коэффициента принима­ ется равным единице (yf = 1).

В зависимости от продолжительности действия нагрузки подраз­ деляются на постоянные (собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунта и т. п.) и временные. Времен­ ными считаются нагрузки, которые в отдельные периоды стро­ ительства и эксплуатации могут отсутствовать. К ним относятся:

длительные (вес стационарного оборудования, нагрузки на пере­ крытия в складских помещениях, библиотеках и т. п.);

кратковременные (вес людей, материалов, продукции технологи­ ческого назначения сооружения, снеговые, ветровые и т; д.);

особые (сейсмические, аварийные и др.).

Различают следующие сочетания нагрузок: основные, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных, и особые, включа­ ющие, кроме того, и одну из особых нагрузок. Расчеты по дефор­ мациям производятся на основное сочетание нагрузок, по несущей способности — на основное и особое сочетание.

При расчетах оснований необходимо также учитывать нагрузки от соседних фундаментов, оборудования и складируемого матери­ ала, размещенных вблизи фундамента.

При расчетах оснований численными методами, как было указа­ но в гл. 8, возможна более полная имитация в расчетной схеме характера и последовательности приложения нагрузок.

Виды деформаций оснований и сооружений. Деформации основа­ ний могут вызываться различными причинами и подразделяются на следующие виды.

Осадки — деформации, происходящие в результате уплотнения грунтов основания под воздействием внешних нагрузок, включая действующие вблизи сооружения, и собственного веса грунтов ос­ нования. Осадки развиваются без коренного изменения структуры грунтов.

Просадки — деформации, происходящие в результате уплот­ нения и коренного изменения структуры грунтов основания под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунтов, так и проявления дополнительных факторов (замачивания просадочных грунтов, оттаивания дедовых прослоек в мерзлых грунтах и т. п.).

Подъем или усадка поверхности основания — деформации, свя­ занные с изменением объема некоторых видов грунтов при физи­ ческих и химических воздействиях (морозное пучение при про-

253

мерзании, набухание при увеличении влажности и т. д., усадка при уменьшении влажности грунтов и т. пр­

оседание — деформации земной поверхности, вызываемые под­ земными работами (разработка полезных ископаемых, некачествен­ ное возведение подземных сооружений и т. п.), а также резким изменением гидрогеологических условий территории (понижение уровня подземных вод, карстово-суффозионные процессы и т. п.).

Горизонтальные перемещения — деформации, вызываемые дей­ ствием горизонтальных нагрузок и составляющих общей нагрузки (подпорные стенки, фундаменты распорных систем и т. п.), а также связанные с большими вертикальными перемещениями поверхно­ сти при оседаниях, просадках и т. п.

Из-за неоднородности грунтов в пределах пятна застройки и различных нагрузок на отдельные фундаменты сооружения обыч­ но возникают неравномерные деформации основания, вызывающие также неравномерные деформации в конструкциях сооружения. Раз­ личают следующие характерные формы совместных деформаций сооружения и основания (рис. 9.1).

Абсолютная осадка основания отдельного фундамента s, опре­ деляемая как среднее вертикальное перемещение подошвы фундаме­ нта. Зная величины s для различных фундаментов, можно оценить неравномерность деформаций основания и конструкции сооруже­ ния.

Средняя осадка основания сооружения

(9-1)

где Si — абсолютная осадка i-ro фундамента с площадью подошвы А,. При известных значениях s{ и s можно оценить необходимость и наметить мероприятия по уменьшению осадок основания или приспособлению конструкций фундамента к неравномерным осад­ кам.

Относительная неравномерность осадок двух фундаментов As/L, где As—Sj—sl+: — разность абсолютных осадок соседних фундамен­ тов, L — расстояние между осями этих фундаментов, которая явля­ ется важнейшей характеристикой для оценки дополнительных уси­ лий, возникающих в конструкциях при неравномерной деформации оснований.

Крен фундамента (сооружения) i, определяемый как отноше­ ние разности осадок крайних точек подошвы фундамента к рассто­ янию между ними [i=(s2—Si)/L на рис. 9.1, в]. Кроме учета допол­ нительных усилий в конструкциях при возникновении крена отдель­ ных фундаментов знание этой величины важно для оценки возмож­ ного нарушения технологического процесса в проектируемом соору­ жении.

254

Рис. 9.1. Характерные формы совместных деформацнй сооружения н основания;

а — расчетная схема; 6 — схема неравномерных осадок фундаментов; в — схема хрена жесткого сооружения; г — схема деформаций, приводящих к закручиванию сооружения; д — схема сдвига

жесткого сооружения

Относительный прогиб или выгиб сооружения (рис. 9.1, б) — это отношение стрелы прогиба или выгиба/ к длине однозначно изгиба­ емого участка сооружения:

flL = {b 2- s x-b )lV L \

(9.2)

где Si и Si — осадка концов рассматриваемого участка сооружения; s2— наибольшая (прогиб) или наименьшая (выгиб) осадка на том же участке; L — расстояние между осями фундаментов, для кото­ рых определены осадки Si и s3. Для случая выгиба (рис. 9.1, 6) в формуле (9.2) следует принимать: s2=s4; s} =s3; s3=s5.

Зная относительный прогиб (выгиб) сооружения или отдельных его участков, можно определить кривизну изгибаемого участка — величину, обратную радиусу искривления. Этот показатель исполь­

зуется при	разработке типовых проектов зданий и сооружений
и позволяет	устанавливать для них значения предельных дефор­

маций оснований по условиям прочности и трещиностойкости кон­ струкций.

Относительный угол закручивания сооружения в характеризует пространственную работу сооружения и позволяет установить до­ полнительные усилия не только в несущих конструкциях, но и в пе­ рекрытиях. Закручивание сооружения возникает при неравномерных осадках по его торцам, имеющих разное направление. Тогда в соот­ ветствии с обозначениями на рис. 9.1, г

0=05, + №

255

где

Pi = - ( s l~ s 2)fB;

A s t g A - f c -дО/А

(9-3)

Горизонтальное перемещение фундамента или сооружения в це­ лом определяется в соответствии со схемой на рис. 9.1, д при действии горизонтальных составляющих нагрузок. Часто массив­ ные сооружения при этом испытывают и деформации крена.

9.3. Принципы расчетов оснований по предельным состояниям

Основные положения. В основе современного подхода к проек­ тированию всех строительных конструкций лежит принцип расчетов по предельным состояниям. Согласно этому принципу, дейст­ вующие на конструкцию усилия или возникаю щ ие в ней напря­ жения, перемещения и деформации не должны превышать соответ­ ствующих предельных величин. Этим достигается, с одной сторо­ ны, возможность нахождения оптимального, наиболее экономия-, ного решения, с другой — обеспечение безаварийной работы конст­ рукции.

Надежность расчетов конструкций по предельным состояниям достигается введением специальных расчетных коэффициентов, от­ ражающих точность определения характеристик свойств матери­ алов конструкций и их возможные изменения, изменчивость дейст­ вующих нагрузок и воздействий, условность расчетных схем и зна­ чимость последствий наступления предельного состояния..

Расчеты по предельным состояниям подразделяются на две группы.

П ервая группа — расчеты по несущей способности, призванные не допустить потери устойчивости формы или положе­ ния конструкции; хрупкое, вязкое или иного характера ее разруше­ ние; возникновение резонансных колебаний при динамических воз­ действиях; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести.

В торая группа — расчеты по деформациям, обеспечивающие установление таких величин перемещений или деформаций конст­ рукций (осадок, прогибов, углов поворота и т. п.), амплитуд их колебаний, при которых еще не возникнут затруднения в нормаль­ ной эксплуатации сооружений и не произойдет снижение их’долго­ вечности.

Отсюда целью расчетов оснований по предельным состояниям является выбор такого технического решения фундаментов, которое обеспечит невозможность достижения сооружением предельного

256

состояния. Очевидно, что невыполнение условий расчетов по первой группе, т. е. потеря основанием несущей способности, приведет сооружение в предельное состояние вплоть до разрушенияи сделает его полностью непригодным к эксплуатации. Невыполнение усло­ вий расчетов по второй группе в зависимости от превышения вели­ чин возникших перемещений фундаментов и деформаций сооруже­ ния над предельными может привести сооружение как в состояние, непригодное к нормальной эксплуатации, так и сделать его полно­ стью непригодным к эксплуатации.

Вернемся вновь к анализу зависимости развития осадки основа­ ния при возрастании давления под подошвой фундамента, показан­ ной на рис. 6.1, а. В соответствии с изложенным в § 6.2 потеря основанием несущей способности произойдет в этом случае при давлении под подошвой фундамента р=ри. Однако может оказать­ ся, что уже при меньших давлениях осадка фундамента превысит величину, предельную для данного типа сооружения. Более того, при сложных инженерно-геологических условиях в основании соору­ жения может оказаться, что относительная неравномерность осадок соседних фундаментов превысит ее предельную величину при еще меньших давлениях под подошвой этих фундаментов. Вэтом случае нормальная эксплуатация сооружения будет определяться более жесткими условиями расчетов по второй группе предельных состо­ яний. При этом условия расчетов по первой группе окажутся авто­ матически выполненными.

С другой стороны, представим себе то же сооружение, рас­ положенное на откосе или вблизи его бровки. Пусть фундаменты сооружения запроектированы исходя из условий расчетов по второй группе предельных состояний и в этом смысле полностью обес­ печена его нормальная эксплуатация. Однако если дополнительная нагрузка на основание от построенного сооружения приведет к по­ тере устойчивости откоса, то и само сооружение окажется непригод­ ным к эксплуатации. Здесь уже будет недостаточным расчет основа­ ния сооружения по второй группе предельных состояний и потребу­ ется оценка устойчивости откоса вместе с сооружением с помощью расчетов по первой группе предельных состояний.

Учитывая разнообразные особенности взаимодействия сооруже­ ний и оснований, СНиП 2.02.01 — 83* предусматривает необходи­ мость расчетов оснований по деформациям во всех случаях и по несущ ей способности в тех случаях, если:

а) на основание передаются значительные горизонтальные на­ грузки (подпорные стенки, фундаменты распорных конструкций и т. п.), в том числе и сейсмические нагрузки;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса; в) основание сложено медленно уплотняющимися водонасы­

щенными глинистыми или биогенными грунтами при степе­

17-3624

257

ни влажности $>0,85 и коэффициенте консолидации cv^ 107 см2/год;

г) основание сложено скальными грунтами.

Расчеты оснований по деформациям. Целью расчетов оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относи­ тельных перемещений фундаментов и надфундаментных конструк­ ций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность вследст­ вие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменения проектных уровней и положений конструкций, расстройства их со­ единений и т. п. При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций прове­ рены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при вза­ имодействии сооружения и основания.

Расчеты оснований по деформациям производятся исходя из условия

(9.4)

где s — совместная деформация основания и сооружения, различ­ ные формы которой были показаны на рис. 9.1; su— предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанав­ ливаемое нормами или заданием на проектирование.

Характерные формы совместной деформации основания и со­ оружения в соответствии с показанным на рис. 9.1 легко могут быть определены при известных значениях абсолютных осадок фундаме­ нтов. В свою очередь, величины абсолютных осадок фундаментов устанавливаются расчетом с использованием методов, приведенных в гл. 7. Таким образом, левая часть выражения (9.4) всегда может быть определена.

При этом необходимо иметь в виду, что максимальное значение абсолютной осадки фундамента всегда будет соответствовать ста­ билизированному состоянию основания. Однако в определенных инженерно-геологических условиях максимальная неравномерность осадок фундаментов может возникнуть не только после завершения процесса консолидации основания, но и в период развития осадок (см. рис. 7.2). Поэтому в необходимых случаях расчеты неравномер­ ности осадок следует производить с учетом длительности процесса и прогноза времени консолидации основания.

Напомним также, что важнейшей предпосылкой применения методов расчета осадок, основанных на использовании положений теории линейного деформирования грунта, является ограничение среднего давления под подошвой фундамента р условием р ^ Я , где Я — расчетное сопротивление грунтов основания.

Физический смысл этого понятия был рассмотрен в § 6.2 (см. рис. 6.1, а). Очевидно, что чем больше при прочих равных условиях

258

будет величина R, тем большее давление под подошвой фундамента р может быть допущено. При постоянной нагрузке от сооружения на фундамент это приведет к уменьшению площади его подошвы, т. е. позволит принять более экономичное решение. Поэтому совер­ шенствованию способов определения расчетного сопротивления грунтов основания в практике фундаментостроения уделяется боль­ шое значение.

В настоящее время в соответствии со СНиП 2.02.01 — 83* рас­ четное сопротивление грунтов основания определяется по формуле

(9.5)

где ус>, уС}— коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 9.1; к — коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта ц>ци си определялись непосред­ ственными испытаниями, и равным 1,1, если они приняты по спра­ вочным таблицам; Му, Мд, Ме— коэффициенты, зависящие от рас­ четного угла внутреннего трения несущего слоя грунта [см. фор­ мулы (6.20)], принимаемые по табл. 6.1; kz — коэффициент, прини­ маемый равным при ширине подошвы фундамента Ь< 10 м &2=1, при 10 м — kz=zo/b+0,2 (здесь z0= 8 м); b — ширина подошвы фундамента, м; уи — осредненный расчетный удельный вес грунтов,

залегающих ниже подошвы фундамента, кН/м3 (при наличии под­ земных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды); у'и — то же, залегающих выше подошвы; d\ — приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала:

di=hs+hcfyef(y'n

(9.6)

(здесь /г, — толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; hcf— толщина пола подвала, м; ycf— расчет­ ный удельный вес материала пола подвала, кН/м3); db— глубина подвала, равная расстоянию от уровня планировки до пола подва­ ла, м (для сооружений с подвалом шириной В <20 м и глубиной более 2 м принимается db=2 м, при ширине подвала 5 >20 м при­ нимается db= 0); си — расчетное удельное сцепление несущего слоя грунта, кПа.

На рис. 9.2 приведены схемы характерных конструктивных реше­ ний фундаментов сооружений, иллюстрирующие смысл показате­ лей, входящих в формулы (9.5) и (9.6). Если отметка планировки грунта DL находится выше отметки пола подвала (рис. 9.2, а), то для определения расчетного сопротивления грунтов основания фун­ дамента наружных и внутренних стен при ширине подвала менее

259

20 м в формулу (9.5) подставляют соответствующие значения ши­ рины подошвы фундаментов Ь и Ь\ и значения d\ и db. При ширине подвала более 20 м в обоих случаях учитывают только глубину dh

азначение dbпринимают равным нулю.

Таблица 9.1. Значения коэффициентов уС| вуСл

		ус для сооружений с жесткой
Грунты	Ус,	2конструктивной схемой
		при отношении длины
		сооружения (отсека)
		к его высоте LJH, равном
		4 и более	1,5 и менее
Крупнообломочные с песчаным запол­
нителем и песчаные, хроме мелких и пыле­	1.4	1,2	1,4
ватых
Пески мелкие	1,3	и	1,3
П еон пылеватые:	1,25	1,0	1,2
маловлажные и влажные
насыщенные водой	1,1	1,0	1,2
Глинистые, а также крупнообломочные
с глинистым заполнителем с показателем
текучести грунта или -заполнителя:		1,0	1,1
4 <0,25	1,25
0,25</£<0,5	1,2	1,0	1,1
/г >0,5	1,1	1,0	1,0

П римечания: 1. К сооружениям с жесткой конструктивной схемой относят­ ся сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформаций основания. 2. Для зданий с гибкой конструктивной схемой Уе2=1. 3. При промежуточных значениях L /H коэффициент определяется по ин­ терполяции.

При отметке планировки ниже пола подвала (рис. 9.2, б) для наружных стен независимо от ширины подвала в формуле (9.5) Вместо величины 4 принимается величина d, a db=0. Для фундамен­ тов внутренних стен берется величина du определяемая по формуле (9.6) с учетом показанного на рис. 9.2, б. В случае плитных фун­ даментов (рис. 9.2, в) в формуле (9.5) принимается dx= d и db=0. При отсутствии подвала также принимается dx= d и db=0.

Отметим, что вид формулы (9.5), сохраняя общую структуру выражения (6.19), отличается дополнительными коэффициентами, повышающими, как указывалось в начале параграфа, надежность расчетов.

Так, коэффициенты условий раОоты основания yCl и совместной работы основания и сооружения yCl позволяют учесть соответствен­ но влияние прочностных и деформационных свойств грунтов на формирование зон предельного равновесия под подошвой фундаме­ нта и жесткости возводимого сооружения, способствующей вырав-

260