книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

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 й 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 уплотне­ ния и коренного изменения структуры грунтов основания под воз­ действием как внешних нагрузок и собственного веса грунтов, так и проявления дополнительных факторов (замачивания просадочных грунтов, оттаивания ледовых прослоек в мерзлых грунтах и т. п.).

Подъем или усадка поверхности основания — деформации, свя­ занные с изменением объема некоторых видов грунтов при физичес­ ких и химических воздействиях (морозное пучение при промерза­ нии, набухание при увеличении влажности и т. д., усадка при уменьшении влажности грунтов и т. п).

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

231

Рис. 9.1. Характерные формысовместныхдеформаций сооружения и основания:

а — расчетная схема; б — схема неравномерных осадок фундаментов; в — схема крена жесткогосооружения; г — схемадеформаций, приводящихкзакручиванию сооружения; д—схема сдвига жесткого сооружения

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 j-го фундамента с площадью подошвы А[. При известных значениях х,- 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=s~si+i — разность абсолютных осадок соседних фундаме­

нтов, L — расстояние между осями этих фундаментов, которая является важнейшей характеристикой для оценки дополнительных усилий, возникающих в конструкциях при неравномерной дефор­ мации оснований.

Крен фундамента (сооружения) г, определяемый как отношение разности осадок крайних точек подошвы фундамента к расстоянию между ними [г= (s2—sl)jL на рис. 9.1, в]. Кроме учета дополнитель­ ных усилий в конструкциях при возникновении крена отдельных фундаментов знание этой величины важно для оценки возможного нарушения технологического процесса в проектируемом сооруже­ нии.

232

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

J}L=(2sz—s1—si)l(2L),

(9.2)

где sx и s3— осадка концов рассматриваемого участка о. оружения; s2— наибольшая (прогиб) или наименьшая (выгиб) осадка на том же участке; L — расстояние между осями фундаментов, для кото­ рых определены осадки sk и s3. Для случая выгиба (рис. 9.1, б) в формуле (9.2) следует принимать: sz=s4; si =s3; s3 =ss.

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 н трещиностойкости кон­ струкций.

Относительный угол закручивания сооружения в харак­ теризует пространственную работу сооружения и позволяет устано­ вить дополнительные усилия не только в несущих конструкциях, но и в перекрытиях. Закручивание сооружения возникает при нерав­ номерных осадках по его торцам, имеющих разное направление. Тогда в соответствии с обозначениями на рис. 9.1, г

Q=(h+h)!L,

где

& = t g h = - ( si-h )IB ;

= (h ~ 4 )!B .

(9.3)

Горизонтальное перемещение фундамента или сооружения в целом 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 экономич­ ного решения, с другой — обеспечение безаварийной работы конст­ рукции.

Надежность расчетов конструкций по предельным состояниям

233

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 долгове­ чности.

Отсюда целью расчетов оснований по предельным состояниям является выбор такого технического решения фундаментов, которое обеспечит невозможность достижения сооружением предельного состояния. Очевидно, что невыполнение условий расчетов по первой группе, т. е. потеря основанием несущей способности, приведет сооружение в предельное состояние вплоть до разрушения и 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. В этом случае нормальная эксплуатация сооружения будет определяться более жесткими условиями расчетов по второй группе предельных состоя­ ний. При этом условия расчетов по первой группе окажутся автома­ тически выполненными.

С другой стороны, представим себе то же сооружение, рас-

234

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 труппе 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 деф орм ациям во всех случаях и по несущей 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 пылевато-глинистыми или биогенными грунтами при сте­ пени влажности 5Г^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 провере­ ны 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 сооружения в соответствии с показанным на рис. 9.1 легко могут быть определены при известных значениях абсолютных оса­ док фундаментов. В свою очередь, величины абсолютных осадок фундаментов устанавливаются расчетом с использованием мето­

235

дов, 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 p ^R , где R — 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 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 расчет­ ное сопротивление грунтов основания определяется по формуле

М№ы- + Mqd^'n +(Mq- l ) dby’n + Мсси

(9.5)

L

где yCl, усг— коэффициенты условий работы, принимаемые по табл.

9.1; к — коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта <рп и сп определялись непо­ средственными испытаниями, и равным 1,1, если они приняты по справочным таблицам; Му, Mq, Мс— коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения несущего слоя грунта [см. формулы (6.20)], принимаемые по табл. 6.1; kz — коэффициент, принимаемый равным при ширине подошвы фундамента Ь< 10 м kz= 1, при 6^10 м — k2=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 подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды); у'п — то же, залегающих выше подошвы; — при­ веденная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала:

236

d^hs+h^cjfy'n

(9.6)

(здесь hg— толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; hcf — толщина пола подвала, м; ус/ —^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 20 м и глубиной более 2 м принимается db=2 м, при ширине подвала J9>20 м прини­ мается *4=0); си — расчетное удельное сцепление несущего слоя грунта, кПа.

Таблица 9.1. Значения коэффициентов yCj и уС2

		Ус2для сооружений с жесткой
		конструктивной схемой
Грунты		при отношении длины
		сооружения (отсоса)
		к его высоте ЦН, равном
		4 в более	1,5 в менее
Крупнообломочные с песчаным запол­
нителем и песчаные, кроме мелких и пыле­
ватых	1,4	1,2	1,4
Пески мелкие	1,3	U	1,3
Пески пылеватые:
маловлажные и влажные	1,25	1,0	1,2
насыщенные водой	1,1	1,0	U
Пылевато-глинистые, а также крупнооб­
ломочные с пылевато-глинистым заполни­
телем с показателем текучести грунта или
заполнителя:	1,25
/ь<0,25		1,0	1,1
0,25 <Д ,< 0,5	1,2	1,0	U
£ > 0 ,5	1,1	1,0	1,0

Примечания: 1. К сооружениям с жесткой конструктивной схемой относятся сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформаций основания. 2. Для зданий с гибкой конструктивной схемой yCl= l.

3. При промежуточных значениях LjH коэффициент определяется по интерполяции.

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 20 м в формулу (9.5) подставляют соответствующие значения ширины подошвы фундаментов b и Ьх и значения d1 и db. При ширине подвала более 20 м в обоих случаях учитывают только глубину dv а значение dbпринимают равным нулю.

При отметке планировки ниже пола подвала (рис. 9.2, б) для

237

	наружных стен независимо от
	ширины подвала в				формуле
	(9.5) вместо величины <4 при­
	нимается величина d, а <4=0.
	Для фундаментов внутренних
	стен	берется		величина			<4,
	определяемая			по	формуле
	(9.6) с учетом показанного на
	рис. 9.2, б . В случае плитных
	фундаментов			(рис.	9.2,		в)
	в формуле (9.5) принимается
	d^—d и <4=0. При отсутствии
	подвала также			принимается
	dx—d и <4=0.
	Отметим, что вид форму­
	лы	(9.5),	сохраняя		общую
	структуру		выражения			(6.19),
	отличается дополнительными
	коэффициентами,				повыша­
	ющими, как указывалось в на­
	чале	параграфа, надежность
	расчетов.					усло­
	Так, коэффициенты
	вий работы основания ^					и со­
	вместной		работы основания
Рис. 9.2. Схемы к определению расчетного	и сооружения			уСг позволяют
сопротивления грунтов основания:	учесть соответственно					влия­
а—при d i< d\ б — при di>d; в — для	ние прочностных и деформа­
плитных фундаментов; I — наружная сте­	ционных свойств грунтов						на
на;2 — перекрытие;3 — внутренняястена;	формирование зон предельно­
4 — пол подвала; 5 — фундамент	го равновесия под подошвой

фундамента и жесткости возводимого сооружения, способствующей выравниванию неравномерных осадок. Коэффициент надежности к определяет степень достоверности расчетных характеристик грун­ тов основания. Коэффициент к2 учитывает, что при больших раз­ мерах фундаментов (6^10 м) развитие зон предельного равновесия на глубину z„„ = 1/4Ь (см. § 6.2) вызывает опасность местной потери устойчивости. В этом случае предусматривается уменьшение вели­ чины zm„, что и достигается введением коэффициента kz< 1 при

10 м и соответственно приводит к уменьшению величины R, Раздельное использование в расчете осредненных значений удельного веса грунта выше и ниже подошвы фундамента, а также расчетных характеристик грунтов позволяет учесть неоднородность строения основания и ограниченное количество испытаний, проведенных при определении характеристик физико-механических свойств грунтов. Напомним (см. § 4.6), что расчетные характеристики уп, (рп и сп,

2 38 -

используемые в расчетах по деформациям, определяются при до­ верительной вероятности а =0,85.

Наконец, введение в формулу (9.5) дополнительного члена (Мд—1) позволяет в определенной мере учесть неполную разгрузку основания при разработке котлована.

Выражение (9.5) допускается применять при любой форме фун­ даментов в плане. Если подошва фундамента имеет форму круга или

правильного многоугольника площадью А, то принимается Ь=у/ а . .

Если в основании фундамента залегают малосжимаемые грунты,

то может оказаться, что даже при условии p=R прогнозируемые деформации будут значительно меньше предельных значений. В этом случае можно использовать приведенный в § 7.5 способ расчета осадок при нелинейной деформируемости грунтов. Кроме того, если полученные при p=R деформации основания будут менее 40% до­ пускаемых для данного сооружения, СЫиП разрешает при исполь­ зовании практических методов расчета осадок увеличивать расчетное сопротивление грунта в 1,2 раза. При этом необходимо, чтобы полученные расчетом при p=l,2R деформации не превысили 50% предельных и соответственно были выполнены условия расчетов по первой группе предельных состояний.

Предельные значения совместной деформации основа­ ния и сооружения [правая часть выражения (9.4)] устанавливают­ ся исходя из необходимости соблюдения:

а) архитектурных требований (недопустимость неприятных впечат­ лений от деформации сооружения в целом, ограничение взаимных смещений отдельных элементов конструкций и архитектурных деталей, обеспечение нормальных эксплуатационно-бытовых условий: ограниче­ ние уклонов полов, перекосов стен, дверных и оконных проемов и т. п.);

б) технологических требований (условия эксплуатации лифтов, подъемников и кранового оборудования, вводов и выпусков ин­ женерных Коммуникаций и т. д.);

в) требования к прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций сооружения, включая его общую устойчивость.

Значения предельных деформаций устанавливаются соответст­ вующими нормами проектирования, правилами эксплуатации обо­ рудования или заданием на проектирование сооружения. В качестве примера в табл. 9.2 приведены рекомендуемые значения предельных деформаций основания некоторых типов сооружений. Более полные данные содержатся в СНиП 2.02.01 — 83.

При расчетах оснований по деформациям исходя из условия (9.4) необходимо учитывать возможность изменения как расчетных (s), так и предельных (su) значений деформаций основания за счет применения строительных мероприятий по уменьшению сжимаемо­ сти и неоднородности грунтов основания, а также конструктивных мероприятий, направленных на снижение чувствительности соору­ жений к деформациям оснований (см. § 9.4).

239

Т абл и ц а 9.2. Предельные деформаций основания
Сооружения		Предельные деформации основания
		относитель­	крен iu	средняя su
		ная разность	(в скобках—
		осадок	максимальная
		(ML)U	jJ	осадка, см
1. Производственные и гражданские одно­
этажные и многоэтажные здания с полным
каркасом:
железобетонным		0,002	—	(8)
стальным		0,004		(12)
2. Здания и сооружения, в конструкциях ко­
торых не возникают усилия от неравномер­
ных осадок	здания	0,006		(15)
3. Многоэтажные бескаркасные
с несущими стенами из:
крупных панелей		0,0016	0,005	10
крупных блоков, кирпичной кладки без ар­
мирования	числе	0,0020	0,005	10
то же, с армированием, в том
с устройством железобетонных поясов		0,0024	0,005	15
4. Сооружения элеваторов из железобетон­
ных конструкций:
рабочее здание и силосный корпус моно­
литной конструкции на одной фундамент­
ной плите			0,003	40
то же, сборной конструкции		—	0,003	30

Примечания: 1. Предельные значения относительного прогиба (выгиба) зда­ ний, указанных в п. 3, принимаются равными ОДДs/L)^ 2. Вели основание сложено горизонтальными (с уклоном не более 0,1), выдержанными по толщине слоями грунтов, значения s и su допускается увеличивать на 20%. 3. Для сооружений, перечисленных в п. с фундаментами в вйде сплошных плит предельные значения средних осадок допускается увеличивать в 1,5 раза.

Расчеты оснований но несущей способности. В начале настоящего параграфа указывались случаи, когда необходимо проводить рас­ четы оснований сооружений по несущей способности. Целью таких расчетов является обеспечение прочности и устойчивости основа­ ний, а также недопущение сдвига фундамента по подошве или его опрокидывания. При этом принимаемая в расчет схема разрушения основания (при достижении им предельного состояния) должна быть как статически, так и кинематически возможна для данного воздействия и конструкции фундамента сооружения.

Расчеты оснований по несущей способности в случаях, перечис­ ленных выше в п. а) и б), допускается не производить, если конст­ руктивными мероприятиями обеспечена невозможность смещения проектируемого фундамента. К числу таких мероприятий относятся (рис. 9.3): устройство полов в подвале здания; жесткое закрепление откоса; объединение фундаментов в единую систему пространствен­ но жесткой и прочной фундаментной конструкций.

240