эл. учебник. И фундаменты

• Название: И фундаменты
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: эл. учебник.doc
• Тип: Учебник; #746623
• страница: 2 из 26

9.2.1. Основные слагаемые осадок фундаментов

В общем случае осадка каждого фундамента может со­стоять из суммы пяти слагаемых:

S = Sупл + Sразупл + Sвып + Sрасстр + Sэкспл, (9.1)

195

где Sупл — осадка в результате развития упругих и остаточных деформаций уплотнения грунтов ненарушенной структуры при увеличении напряжений в основании вследствие нагрузки рассматриваемого фундамента, а также со­седних фундаментов и площадей; Sразупл — осадка, связанная с разуплотне­нием верхних слоев грунта, залегающих непосредственно ниже дна котлована, из-за уменьшения в них напряжений при его разработке и снятия гидро­статического давления; Sвып — осадка в результате выдавливания (выпи­рания) грунта из-под фундамента в стороны и вверх при развитии зон пластических деформации; Sрасстр — осадка расструктуривания, развивающая­ся вследствие увеличения сжимаемости грунтов при нарушении их природной структуры во время производства работ; Sэкспл — осадка, обусловленная из­менениями напряженного состояния или деформативности грунта основания в период эксплуатации здания или сооружения.

Как правило, каждое из слагаемых обусловливает неравно­мерности осадок фундаментов. Эти неравномерности зависят, как считает Р. С. Шеляпин, от двух основных причин: неодно­родного напряженного состояния грунтов в основании рассмат­риваемого сооружения и неравномерной сжимаемости грунтов в основании под площадью загружения. При этом неравномер­ность податливости основания — неоднородность основания — оценивается степенью изменчивости сжимаемости слагающих его грунтов.

9.2.2. Неравномерные осадки уплотнения S_упл

Под воздействием напряжений, превышающих природ­ное давление, грунт деформируется. Деформации развиваются преимущественно вследствие уменьшения объема пор грунта (уплотнения) и искажения формы отдельных частиц или агре­гатов грунта (упругие деформации). Упругие деформации ис­кажения формы обычно во много раз меньше остаточных де­формаций уплотнения. В связи с этим осадки, развивающиеся под воздействием местной нагрузки, называют осадками уплот­нения, хотя в них входят и упругие деформации. Осадки уплот­нения под отдельными частями сооружения обычно неодина­ковы из-за неоднородности основания и неоднородности напря­женного состояния грунтов в основании.

Неоднородность основания обусловливается:

выклиниванием слоев (рис. 9.2, а);

линзообразным залеганием различных грунтов (рис. 9.2, б);

неодинаковой толщиной слоев (рис. 9.2, в);

различием в плотности сложения грунта (неоднородностью самого грунта, рис. 9.2, г);

использованием слоев разных грунтов под отдельными ча­стями сооружения (передача давления от тяжелой части зда­ния на более плотный подстилающий грунт, рис. 9.2, д);

неодновременной консолидацией грунтов в основании под различными частями сооружения (рис. 9.2, е).

Неоднородность напряженного состояния грунтов в основа­нии обусловливается:

196




Рис. 9.2. Причины развития неравно-мерных осадок уплотнения

1 — нагрузка на фундамент; 2 — осадка медленно деформирующегося ойювакия; 3 — то же, при наличии в основании пее-чаной 1 прослойки; 4— эпюры σ_z; 5— на- грузка на фундамент; 6 — осадка фунда­мента во времени; 7 — нагрузка на второй фундамент; 8 — его осадка; 9 — полная загрузка фундамента; 10 — его осадка: 11 — неполная загрузка второго фунда­мента; 12 — его осадка

неодинаковой загрузкой фундаментов, в связи с чем более загруженный фундамент приходится делать большей ширины; однако принятие одинакового давления под подошвой не ис­ключает различия напряженного состояния грунтов в основа- нии (рис. 9.2, ж);

взаимным влиянием загрузки соседних фундаментов, в ре- зультате которого наибольшее воздействие испытывает осно­вание фундаментов, расположенных в средней части равноэтаж-ного здания, меньшее воздействие — основание фундаментов, расположенных по краям, и наименьшее — в углах (рис. 9.2, з);

неодновременной загрузкой фундаментов (рис. 9.2, и);

неполной загрузкой некоторых фундаментов (рис. 9.2, к).

Неодновременная загрузка фундаментов часто происходит при возведении разнотипных несущих конструкций, например при сооружении зданий с несущими наружными стенами и вну- тренними железобетонными колоннами. В таком случае фунда­менты наружных стен получают почти полную загрузку в про­цессе возведения стен; фундаменты колонн в этот период за- гружаются в меньшей степени, поскольку получают большую часть нагрузки от устройства полов, перегородок и установки оборудования. Это создает неоднородность загрузки фунда­ментов.

В качестве примера рассмотрим 5-этажное жилое здание в Ленинграде. В процессе возведения наружных стен их фунда­менты дали осадку, большую осадки фундаментов колонн, и в неразрезных прогонах перекрытий появились трещины с ши­риной раскрытия 1...2 см (рис. 9.3). После полной загрузки перекрытий эти трещины закрылись,

197

Рис. 9.3. Деформации неразрезных прого­нов при отставании загрузки колонн

Аналогичная картина деформаций наблюдалась и в пере­крытиях одного из корпусов табачной фабрики в Ленинграде. Однако появившаяся трещина не закрылась даже в процессе эксплуатации здания. Объясняется это тем, что при расчете учитывалась полезная нагрузка на перекрытия 5 кН на 1 м², фактическая же средняя нагрузка оказалась менее 1 кН на 1 м². Таким образом, неполная загрузка грунтов основания ко­лонн привела к неравномерностям осадки, равным приблизи­тельно 5 см.

Расчетом можно найти размеры фундаментов сооружения, при которых они будут иметь почти одинаковую осадку уплот­нения. Однако трудно гарантировать, что эти фундаменты по­лучат одинаковые осадки во время постройки и в процессе консолидации грунтов.

Разнообразие рассмотренных причин развития неравномер­ных осадок уплотнения свидетельствует, что составление про­гноза осадок сооружения, опирающегося на большое число различных фундаментов, обычно является задачей весьма сложной. Однако в случаях, когда в основании залегают плот­ные грунты и ожидаемые осадки невелики, будет мала и их неравномерность. При наличии в основании сильносжимаемых грунтов решение задачи усложняется. Если возникает сомнение в точности прогноза неравномерностей осадок, приходится либо принимать меры по уменьшению чувствительности несущих конструкций к возможным неравномерностям осадок, либо ис­пользовать в качестве основания более плотные слои грунта, залегающие на большей глубине.

9.2.3. Неравномерные осадки разуплотнения Sразупл

Осадки разуплотнения развиваются под действием на­грузки, которая не превышает веса грунта, вынутого при от­рывке котлована. Действительно, при его отрывке в основании уменьшаются напряжения и происходит разуплотнение грунтов. Кроме того, под действием давления грунта, располагающегося вокруг дна котлована, возникают упругие деформации иска­жения формы, при глубоких котлованах могут появляться и остаточные пластические деформации выпора в сторону котло­вана. Таким образом, происходит неравномерное поднятие дна котлована (рис. 9.4). В дальнейшем могут развиваться нерав­номерные осадки. Происходит это в результате:

198

большего разуплотнения грунтов под центральной частью котлована, чем по его краям и в углах, из-за большего уменьшений напряжений в глубине основания под центром котлована;

различной продолжительности разуплотнения грунтов осно- вания под разными фундаментами;

неодинакового поднятия дна. котлована вследствие неодноч родности основания и неравномерности изменения напряжен- ного состояния грунтов.

Для фундаментов зданий и промышленных сооружений чаще всего отрывают котлованы глубиной не более 5 м. Тогда осадки разуплотнения незначительны и развиваются преиму- щественно в процессе устройства фундаментов и обратной за­сыпки пазух. Влияние осадок разуплотнения ощутимо при глу-бине котлована более 5 м и устройстве фундаментов, нагрузка от которых вместе с обратной засыпкой существенно меньше веса вынутого из котлована грунта.

Осадка разуплотнения равна поднятию дна котлована в процессе разгрузки грунтов основания, определяемому мето­дами механики грунтов. С этой целью грунты испытывают не только на сжатие, но и на разуплотнение.

9.2.4. Неравномерные осадки выпирания Sвып

Осадки выпирания связаны с развитием пластических деформаций (местных сдвигов) грунта основания. По подошве жестких фундаментов реактивное давление распределяется не­равномерно. Даже при небольшой нагрузке под краями же­стких фундаментов возникает, давление, приводящее к разви­тию зон сдвигов. Вследствие перемещения границ зон сдвигов (см. рис. 8.1) происходит уплотнение грунтов по сторонам от этих зон. По мере загрузки фундамента указанные зоны уве­личиваются, грунт, окружающий их, уплотняется и оказывает все большее сопротивление, которое может достигать значения пассивного отпора. Осадки выпирания следовало бы опреде­лять на основе решения смешанной задачи теорий упругости и пластичности (например, методом конечных элементов). Вследствие отсутствия решений, доведенных до инженерных расчетов, давление по подошве обычно ограничивают величи­ной, при которой осадки выпирания незначительны.

Причины развития неравномерных осадок выпирания те же, что и осадок уплотнения (см. ранее). Дополнительно неравно­мерности осадок выпирания могут быть обусловлены неодина­ковым сопротивлением грунта сдвигу в зонах пластических деформаций.

199

9.2.5. Неравномерные осадки расструктуривания Sрасстр

При отрывке котлована грунты основания обнажаются и подвергаются воздействию различных факторов, в результате чего может произойти нарушение их приредной структуры — расструктуривание. В связи с этим изменяются их физико-механические свойства. Чаще всего происходит увеличение сжимаемости грунтов и уменьшение сопротивляемости их сдвигу.

Поскольку нарушение структуры под соседними фундамен­тами происходит в различной степени, осадки расструктурива­ния будут неравномерными. Величина их зависит от способов производства котлованных работ, водоотлива, продолжитель­ности периода с начала отрывки котлована до обратной за­сыпки пазух фундаментов.

Нарушение структуры грунтов основания возможно по сле­дующим четырем причинам: от метеорологических воздействий; от воздействий грунтовых вод и газа; от динамических воздей­ствий механизмов; в результате грубых ошибок строителей.

Метеорологические воздействия проявляются в расструкту-ривании грунтов в результате их промерзания и оттаивания (рис. 9.5, а), размягчения и набухания (рис. 9.5, б), высыха­ния и усадки (рис. 9.5, в).

При промерзании и оттаивании пылевато-глинистых и мел­копесчаных грунтов возможно существенное изменение их объ­ема. Сильно увлажненные такие грунты при промерзании испы­тывают пучение, увеличиваясь в объеме, а при оттаивании под нагрузкой — просадку. При пучении в грунтах могут разви­ваться напряжения, превышающие давление по подошве фунда­ментов. В связи с этим промерзание пучинистого грунта в ос­новании сооружения опасно не только при устройстве фунда­ментов, но и в период возведения надземных конструкций.

Примером может служить деформация двухэтажного кир­пичного здания (рис. 9.6). Его стены были возведены осенью, а-затем строительство приостановили. Зимой на стенах появи­лись трещины, ширина раскрытия которых к весне достигла 25 см. Под фундаментами со стороны подвалов грунт промерз на глубину до 80 см. Принятие мер по укреплению конструк­ций, а также по регулированию оттаивания грунтов основания позволило сохранить здание.

200

Рис. 9.6. Деформация кирпичной стены здания при оттаивании промерзшего грунта под фундаментами со стороны подвала

Если подошва фундамента расположена ниже глубины про­мерзания, возможно поднятие фундамента касательными си­лами пучения, развивающимися по его боковым поверхностям, а также смещение его с креном в сторону подвала в случае промерзания грунта в горизонтальном направлении со стороны неотапливаемого подвала через стенку фундамента. Вопросы воздействия сил пучения грунтов более подробно рассмотрены в п. 14.4.

Для исключения воздействия касательных сил пучения во время строительства рекомендуется покрывать боковые поверх­ности фундаментов слоем битума, растворенного в мазуте или соляровом масле. Боковое давление на фундаменты, которое может развиваться при пучении грунтов, промерзающих в горизонтальном направлении, исключается путем обратной

201

засыпки пазух непучинистым материалом (песком) или надеж­ным утеплением подвальных помещений.

При оттаивании грунтов возникают еще более опасные де­формации конструкций сооружений. Процесс просадки при от-таивании развивается очень неравномерно — грунт оттаивает быстрее с южной стороны здания, чем с северной, и быстрее, чем под внутренними стенами и колоннами. Кроме того, после оттаивания грунт приобретает повышенную сжимаемость, В связи с этим недопустимо промораживание грунтов ниже дна котлована, даже если эти грунты оттаивают перед заклад- кой фундаментов.

При увлажнении пылевато-глинистого грунта, залегающего ниже дна котлована, атмосферными осадками происходит его размягчение и набухание (см. рис. 9.5, б). Эти процессы бы­стро протекают в пылеватых суглинках, слоистых и трещино-ватых глинах. Чем больше глинистость грунта, особенно обу-словленная содержанием минерала монтмориллонита, а также чем глубже котлован, тем больше может быть набухание грун­тов, расположенных выше уровня подземных вод. Размягче-ние в наибольшей степени сказывается на пылевато-глинистых грунтах, поры которых заполнены воздухом, сообщающимся с атмосферой. Набухание и размягчение грунта приводит к из­менению его сжимаемости и, как следствие, к развитию нерав­номерных осадок. Для сохранения структуры грунтов поверх­ностные воды отводят от котлована, и, кроме того, нижний слой, подлежащий разработке, оставляют в качестве защит-ного, удаляя его непосредственно перед закладкой фунда­ментов.

В районах с жарким климатом может наблюдаться интен- сивное высыхание грунтов ниже дна котлована. Высыхание пы­левато-глинистых грунтов сопровождается их усадкой (см. рис. 9.5, в). В последующем при восстановлении влажности это может привести к поднятию фундаментов в результате набу­хания грунтов или вызвать неравномерное уменьшение сжи­маемости грунта.