Ф.6. ДЕФОРМАЦИИ ОСНОВАНИЙ

Ф.6.1. Какие причины вызывают осадки фундаментов?

При определенных условиях осадки фундаментов s можно представить как сумму следующих составляющих:

s = s1 + s2 + s3 + s4,

где s1 − осадка уплотнения; s2 − осадка разуплотнения; s3 − осадка неупругого деформирования; s4 − осадка расструктуривания.

Ф.6.2. В чем причина возникновения осадок уплотнения s1?

Осадки уплотнения возникают вследствие уменьшение объема пор от давлений, передаваемых на основание через его подошву. Уплот5 нение грунта проявляется при напряжениях в грунте, если они больше его структурной прочности. Если осадки уплотнения окажутся различными для фундаментов в пределах одного и того же здания, то возникает их неравномерность. Поэтому необходимо так запроекти5 ровать фундаменты, чтобы разность осадок была меньше предельно допустимой. Это возможно, если при выборе ширины подошвы фун5 даментов руководствоваться равенством дополнительных давлений в уровне близких по размерам подошвы фундаментов.

Ф.6.3. Почему возникают осадки разуплотнения s2?

Разуплотнение проявляется при разработке котлованов и выражается в поднятии их дна. Деформации s2 носят упругий характер и считаются обратимыми при загрузке основания весом фундамента и внешней нагрузкой. После загрузки основания фундамент получит дополнительную осадку, называемую осадкой разуплотнения.

Ф.6.4. Почему возникают осадки неупругого деформирования s3?

Эта осадка появляется при возникновении в грунте сдвигов. Если придерживаться требований СП [21], то допускается развитие в грунте зон сдвига – зон пластического деформирования – на глубину не более 1/4 ширины фундамента. Образование этих зон и приводит к воз5 никновению осадок неупругого деформирования s3. Прочность грунта в пределах этих зон уменьшается, и фундамент получает дополни5 тельную осадку. Величину осадки можно определить только с исполь5 зованием решений нелинейной теории упругости и пластичности.

220

Ф.6.5. В чем причина возникновения осадок расструктуривания грунтов s4?

Явление нарушения естественной структуры грунта называется расструктуриванием. Данное явление наблюдается при разработке котлованов тяжелыми механизмами, при промерзании и оттаивании грунтов, их набухании и замачивании. Разрушение структурных связей увеличивает сжимаемость грунтов, что и является причиной возник5 новения осадки расструктуривания.

Ф.6.6. Какие расчетные схемы используются для расчета деформаций оснований?

Расчет деформаций оснований выполняется с использованием рас5 четных схем оснований в виде линейно деформируемого слоя, линейно5 деформируемого полупространства, нелинейно деформируемой среды.

Расчетная схема в виде линейно деформируемого слоя применяется в том случае, если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Hc, определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1 ≥ 100 МПа и толщиной h1, удовлетворяющей условию

h1 ≥ Hc (1− 3 E2 E1 ),

где E2 − модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации E1;

б) ширина (диаметр) фундамента b ≥ 10 м и модуль деформации грунтов основания E ≥ 10 МПа.

Расчетная схема в виде линейно деформируемого полупространства применяется для расчета осадок фундаментов на однородном основании. Допускается ее использование и для неоднородных ос5 нований, если модуль деформации слоев грунта незначительно от5 личаются друг от друга.

При использовании схемы линейно деформируемого полупро5 странства напряжения и деформации в основании определяются с ис5 пользованием решений теории линейно деформируемой среды. Для этой цели при расчете оснований круглых, прямоугольных и квад5 ратных в плане фундаментов используется решение Буссинеска, а для ленточных фундаментов – решение Фламана. В схеме линейно де5 формируемого полупространства вводится ограничение в виде сжи5 маемой толщи основания Hc, глубина которой определяется со5 отношением между дополнительными вертикальными напряжениями от внешней нагрузки σzp и от собственного веса грунта σzg.

221

Для определения Hc принимается, что при b≤ 5 м σzp=0,2σzg, а при b >20 м σzp=0,5σzg. Однако в случае слабых сильносжимаемых грунтов на нижней границе определенной таким образом сжимаемой толщи ее увеличивают и границу принимают исходя из условия σzp=0,1σzg. Коэффициенты 0,5 и 0,1, определяющие положение нижней границы сжимаемой толщи, эмпирические. Если сжимаемые грунты подсти5 лаются скальными и полускальными грунтами, то границей сжимаемой толщи будет служить их поверхность. В этом случае сжимаемая толща определяется исходя из инженерно5геологических условий площадки.

Применение теории нелинейно деформируемой среды, в отличие от указанных двух схем, позволяет рассчитать осадку не только в фазе уплотнения, но и в фазе образования областей сдвига под фундаментом практически вплоть до предельной нагрузки по устойчивости.

Ф.6.7. Влияет ли жесткость здания или сооружения на неравF номерность осадок?

Наблюдения за деформациями зданий и сооружений показывают, что для конструкций зданий наиболее опасным является неравно5 мерность осадок их фундаментов. Поэтому в нормах [1] вводится ограничение не только на величину средней предельной осадки su, но и на относительную разность осадок ( s/L).

Большинство зданий и сооружений чувствительны к возникно5 вению неравномерных осадок. Однако, повышая жесткость здания, можно снизить или полностью устранить неравномерность осадок. Примером зданий абсолютной жесткости, имеющих равномерную осадку, являются элеваторы, дымовые трубы, градирни, здания АЭС и ТЭЦ. Эти сооружения обладают способностью выравнивать осадки за счет перераспределения давления под подошвой фундамента.

Однако многие здания и сооружения выполняют конструктивно не из монолитного железобетона, а из кирпича и сборных железобетон5 ных элементов. Поэтому жесткость таких зданий значительно меньше, и они не могут погасить неравномерность деформаций. Согласно при5 нятой классификации подобные здания относятся к категории сооружений практической жесткости.

Ф.6.8. Какие различаются основные виды деформации и смещения сооружений?

В зависимости от характера развития неравномерных осадок осно5 вания и жесткости сооружения различают следующие формы дефор5 маций сооружений: крен, прогиб, выгиб, перекос и кручение (рис.Ф.6.8).

222

Рис.Ф.6.8. Проявление различных видов деформаций:

а – прогиба; б – перекоса; в, г, д – крена; е – прогиба и выгиба; ж – выгиба

Крен (см.рис.Ф.6.8,б,г,д) − поворот относительно горизонтальной оси. Крен возникает при неравномерной загрузке основания или при наличии в основании несимметричного напластования грунтов. Крен всего сооружения с фундаментами в виде сплошных железобетонных плит определяется как разность осадок его противоположных сторон, отнесенная к расстоянию между ними:

i = s2 − s1 . L

Предельная величина крена ограничена требованиями СНиП [1]. Наибольшую опасность крен представляет для высоких сооружений (элеваторы, дымовые трубы, антенны и др).

При действии внецентренной нагрузки может возникнуть крен фундамента, который определяется из выражения

i =	1		− μ2		Ne
			0	k		,
		Ekm		e (a 2)3

где E и μ0 − модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта основания (при неоднородном основании значения E и μо прини5

223

маются средними в пределах сжимаемой толщи); ke − коэффициент, зависящий от формы фундамента; N − вертикальная составляющая равнодействующей всех нагрузок на фундамент на уровне его подошвы; e − эксцентриситет; a − диаметр круглого или сторона прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент; для фундаментов с подошвой в форме правильного прямо5 угольника a = 2 Aπ (здесь A − площадь многоугольника); km − коэф5

фициент, учитываемый при расчете крена фундамента по схеме линейно деформируемого слоя при a ≥ 10 м и E ≥ 10 МПа.

Прогиб и выгиб (рис.Ф.5.2,в) вызваны искривлением сооружения по его длине. При прогибе наибольшие разрушения происходят в нижней части сооружения, а при выгибе − в верхней.

Перекос возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадки развивается на коротком участке сооружения при сохранении вертикального положения конструкций.

Кручение сооружения возникает при различном его крене в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

224