эл. учебник. И фундаменты

• Название: И фундаменты
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: эл. учебник.doc
• Тип: Учебник; #746623
• страница: 20 из 26

v

_¥

№ Рис. 14.8, Расчетные схемы

е — отдельного фундамента; 6 — свайного фундамента; в — изменение максимальной

температуры по глубине

как эта температура действует на глубине г в течение непро­должительного времени в первой половине зимы, когда дея­тельный слой еще не промерз. В дальнейшем температура на данной глубине понижается и грунт будет характеризоваться большими значениями Rи R_af- Таким образом, если исходить из длительной прочности грунтов при определении Rи Raf, по­лучится излишний запас, обусловленный тем, что наиболее высокая температура на данной глубине действует не постоянно, а периодически.

Кроме того, в каждый момент времени температура в пре­делах глубины сваи неодинакова. Чтобы не учитывать неоди­наковую прочность грунта на глубине, обычно находят эквива­лентную температуру, которая позволяет определять среднее значение /?_а;-

Значения температур грунта устанавливают теплотехниче­ским расчетом. Для упрощения расчетов в СНиПе даны таб­лицы коэффициентов для определения температур грунта, тре­бующихся в расчете несущей способности фундаментов и свай.

Несущую способность сваи можно проверить эксперимен­тально. В таком случае сила предельного сопротивления осно­вания F,, одиночной сваи, по данным испытания вдавливающей статической нагрузкой, определяется из выражения

где Yj. — температурный коэффициент, учитывающий различие температур­ных условий грунта во время опыта и в период эксплуатации; к — коэффи­циент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемой свай:

Faxp— расчетное сопротивление сваи статической нагрузкой, кН: F_ex'=F_nJy • F_u, F_•—- силы предельного сопротивления, определяемые по формуле

359

If 14.6) для соответственно проектируемой и опытной спаи, устанавливаемые с учетом температурных условий сваи под сооружением и при испытании опытной сваи на различных глубинах; F_n— нормативное предельно дли­тельное сопротивление основания сваи статической нагрузке, кН, определяв* мое по ГОСТ 24546—81; y_s— коэффициент надежности по грунту, обычно равный 1,1.

Рассмотренный расчет несущей способности столбчатых фундаментов и свай справедлив, если к фундаменту приложены постоянные или длительно действующие нагрузки. При кратко­временных нагрузках (например, действии ветра, сейсмических волн, снеговой нагрузки и др.) мерзлый грунт будет оказывать вначительно большее сопротивление. В связи с этим целесооб­разно вводить на эти нагрузки понижающий коэффициент, учитывающий не только вероятность одновременного их воз­действия, но и повышенное сопротивление мерзлых грунтов при . непродолжительном действии нагрузки.

Поскольку несущая способность мерзлых грунтов зависит от льдистости, нормы дают расчетные давления на грунты оснований свайных фундаментов только при льдистости U^ 0,4 и запрещают возведение отдельных фундаментов на слое льда без устройства распределительной подушки. Исследования по­казали, что сильнольдистые грунты можно использовать в ка­честве основания, если проводить расчет по деформациям с учетом ползучести такого грунта.

14.4.4. Расчет внецентренно

нагруженных фундаментов, возводимых

с сохранением вечномерзлого

состояния грунта

(по принципу 1)

При действии на столбчатый фундамент момента от внешних нагрузок, стремящихся повернуть его, возникают со­противления смерзания грунта по боковым граням фундамента и сопротивление горизонтальному смещению обреза фунда­мента при его повороте относительно горизонтальной оси вра­щения, проходящей через центр тяжести подошвы. Вследствие обычно небольшого сечения верхней части фундамента и отно­сительно высоких температур сопротивлением горизонтальному смещению обреза фундамента пренебрегают (в запас). В та­ком случае на подошву фундамента будет передаваться момент

М_а= М - M_af,

гд-е М — момент от внешних нагрузок, действующий в плоскости подошвы фундамента относительно одной из ее осей; Maf— момент сопротивления грунта в результате смерзания его с нижней ступенью фундамента по его граням, определяемый для случая, когда момент действует относительно одной оси фундамента (рис. 14.9} по формуле

M_af = y_cRafhpt (b + 0,5/); (14.9)

360

»гнмтш

sh
f'' ^R

Рис. 14.9. Расчетная схема при внецентренном загружеиии фундамента

у,_:— коэффициент условий работы мерзлых грунтов основания, принимаемый так же, как для формулы (14.6); R_a;— расчетное сопротивление смерзания грунта с бетоном, определяемое так же, как и ранее на глубине г — 0,5й„, соответствующей заглублению середины нижней ступени фундамента от верх­ней границы вечномерзлого грунта; h_p— высота боковой поверхности нижней ступени фундамента; I— размер подошвы фундамента в плоскости действия момента; b— размер подошвы, перпендикулярный размеру I.

Когда по расчету подошва фундамента отрывается от осно­вания, можно дополнительно учесть сопротивление грунта над уступом фундамента р\, которое не должно превышать расчет­ное сопротивление мерзлого грунта над уступом или сопротив­ление мерзлого грунта сдвигу выше уступа фундамента R_Sh(рис. 14.9). Значения р\ и 1\ находят из двух уравнений равно­весия (рис. 14.9)—проекции всех сил на вертикальную ось и момента всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести площади подошвы.

14.4.5. Расчет фундаментов при действии горизонтальных сил

Расчет фундаментов на плоский сдвиг по подошве при действии значительных горизонтальных сил проводят анало­гично расчету фундаментов на немерзлых грунтах. При этом основное сопротивление будет оказывать не трение, а смерза­ние грунта с фундаментом по его подошве и боковым граням. При расчете свай на действие горизонтальных нагрузок учитывают их совместную работу с мерзлым грунтом основа­ния. Коэффициент постели обычно принимают возрастающим по глубине. Работой слоя оттаивающего грунта часто прене­брегают.

361

14.4.6. Расчет фундаментов,

возводимых в пластично-мерзлых

и сыпучемерзлых грунтах,

по второй группе предельных

состояний (по деформациям)

Расчетные величины осадок и их неравномерностей определяют в соответствии с методами, изложенными в п. 7. Характеристики деформируемости грунтов вычисляют для рас­четной температуры в период эксплуатации зданий. Получен­ные расчетом величины осадок и их неравномерностей должны удовлетворять условиям (9.5) и (9.6).

В основании отапливаемых зданий вследствие неустойчивости пластично-мерзлого грунта либо предусматривают искусственное понижение температуры, либо проектируют фундаменты по прин­ципу П.

14.4.7. Расчет оснований при возведении

фундаментов без сохранения вечномерзлого состояния грунта (по принципу II)

Различают основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину, основания с предварительно оттаян­ными грунтами только в верхней зоне (остальная часть осно­вания оттаивает в процессе эксплуатации сооружений) и осно­вания, грунты которых оттаивают на всю глубину в процессе эксплуатации.

Основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину проектируют так же, как основания, сложенные не­мерзлыми грунтами (см. п. 6...13).

Основания, в которых грунты оттаяны только в верхней зоне, а подстилающие грунты оттаивают в процессе эксплуата­ции, рассчитывают по второй группе предельных состояний как основания немерзлых грунтов и оттаявшие основания прове­ряют на устойчивость по первой группе предельных состояний.

Основания, грунты которых оттаивают на всю глубину во время эксплуатации сооружений, рассчитывают по первой группе предельных состояний с учетом процесса оттаивания верхних слоев и по второй группе предельных состояний, исходя из деформаций всего основания как от нагрузок, передаваемых фундаментами, так и под действием собственного веса грунта. Деформируемость грунтов при оттаивании рассмотрена в п. 3.3.

Осадка с просадкой частично или полностью оттаивающего основания состоит из двух слагаемых: осадки s_pуплотнения грунта от давления под подошвой фундамента, которая опреде­ляется как для талых грунтов по СНиП 2.02.01—83, и осадки 'stHдополнительной, возникающей за счет оттаивания толщи вечномерзлого грунта в процессе эксплуатации под действием

362

собственного веса. Следовательно,-

Дополнительную осадку stnСНиП рекомендует определять по формуле

п

где п — число выделенных при расчете слоев грунта; Am. i— коэффициент оттаивания, доли единицы; 6; — коэффициент сжимаемости £-го слоя оттаи­вающего грунта, кПа"¹; Ozg. (— вертикальное природное напряжение в се­редине 1-го слоя грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины zi, считая от уровня планировочной отметки с учетом взвешивающего действия воды для водопроницаемых грунтов; hi— толщина £-го слоя оттаивающего грун­та, м.

Коэффициенты Л(й и б,- устанавливаются экспериментально по результатам полевых или лабораторных испытаний грунтов (см. п. 3.3).

Величину осадки уплотнения s_pопределяют одним из мето­дов, изложенных в п. 7.

■- Полученное по формуле (14.10) значение sдолжно удов­летворять условию (9.5) или (9.6). Однако это не гарантирует от развития значительных неравномерностеи осадок в ходе от­таивания грунта. По этой причине производят теплотехниче­ский расчет процесса оттаивания грунтов под отдельными фундаментами и анализируют неравномерности осадки во времени.

Для песков, супесей и даже суглинков (с некоторым при­ближением) можно считать, что стабилизация осадки наступает в процессе оттаивания. В таком случае осадку под действием собственного веса грунта sthустанавливают для оттаивающих зон в течение принятых промежутков времени. Осадку же под действием давления, передаваемого фундаментами, определяют с учетом деформируемости грунта, оттаявшего на данное вре­мя. Если при таких расчетах окажется удовлетворенным усло­вие (9.5), значит принятое решение об использовании оттаивающих грунтов в основании допустимо. При этом, конечно, предполагает­ся, что поверхность оттаивающего

Рис. 14.10. Схема перемещения верхней границы слоя вечяомерзлого грунта в про-цессе его оттаивания под фундаментом на-

ружной стены 1 — положения границы оттаивания; 2 — фунда-

363

массива под каждым отдельным фундаментом относительно го­ризонтальна. Под фундаментами наружных стен граница оттаи­вания может перемещаться и в горизонтальном направлении (рис. 14.10) .В такэм случае возможен поворот фундамента в сто­рону оттаивающего грунта.

При медленном, уплотнении оттаивающих грунтов можно провести расчет процесса оттаивания и уплотнения пылевато-глинистых грунтов с учетом фактора времени *.

Проектирование на региональных грунтах (засоленных, торфянистых, сильнольдистых и др.) рассмотрено в СНиП П-18-76.

14.4.8. Фундаменты в условиях пучинистых грунтов

На боковые грани верхней части фундаментов, распо­ложенной в пределах пучинистых грунтов, действуют силы мо­розного пучения, которые в некоторых случаях достигают зна­чительной величины и могут поднимать здания высотой три этажа и более. Вследствие этого фундаменты в условиях пуч-нистых грунтов необходимо рассчитывать на выпучивание. При расчете должно удовлетворяться условие

где т;* — расчетная удельная касательная сила пучения, зависящая от ха­рактера грунта и мощности деятельного слоя (значение Xfi, определяется по СНиПу или экспериментально); А/ь — расчетная площадь боковой поверх­ности фундамента в пределах расчетного деятельного слоя; F— расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент (при определении Fпри­нимают коэффициент 0,9); y= — коэффициент условий работы, принимаемый равным 1; у„ — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1; F_r — расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучивания.

Поскольку значения Xfh, определяемые по СНиПу, весьма ориентировочны, при крупных строительствах правильнее уста­навливать Xfh. экспериментально. Существует несколько методик определения хцг в полевых и лабораторных условиях. В поле­вых условиях требуется проведение эксперимента в течение нескольких зим, поскольку, как доказано Н. А. Перетрухиным, силы пучения, действующие на один и тот же фундамент, из года в год существенно варьируют.

В лабораторных условиях силы пучения иногда устанавли­вают аналогично определению сопротивления смерзания грунта с материалом, из которого делается фундамент. Это не совсем правомерно, так как развитие касательных сил пучения проис­ходит постепенно и в ходе процесса пучения верхние слои за-

* Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.: Высшая школа, 1973.

364

а)



О

Рис. 14.11. Графики определения устойчивого сопротивления смерзания а — зависимость сопротивления сдвигу от времени ло мере перемещения грунта от* иоситслыю модели фундамента; б — зависимость устойчивого сопротивления смерзания

от температуры грунта

мерзшего грунта проскальзывают по боковой поверхности фун­дамента. В этом плане представляет интерес следующая мето­дика *. Для испытания используют специальный механизиро­ванный пресс, который позволяет перемещать грунт относи­тельно модели фундамента с постоянными скоростями, соответ­ствующими перемещению грунта при пучении относительно боковой поверхности фундамента. В результате таких опытов получаются графики зависимости касательных сил взаимодей­ствия между мерзлым грунтом и моделью фундамента от вре­мени tпри определенной температуре Т (рис. 14.11,а). Как видно из графика, после возрастания нагрузки на прессе до момента сдвига грунта относительно модели фундамента силы взаимодействия убывают и стремятся к определенному преде­лу— устойчивому сопротивлению сдвигу примерзшего грунта x_sei. Это сопротивление и определяет касательные силы пуче­ния, т. е. следует принимать tfh= x_Set-

Проведение серии таких опытов при различных температу­рах с одним и тем же грунтом показало, что x_setв области исследованных температур зависит от абсолютного значения температуры линейно (рис. 14.11,6). Следовательно:

Г set= Ь + С | Т |,

где Ъ и с — параметры прямой; |Г| —абсолютное значение температуры, °0.

Зная среднюю температуру слоя промерзающего грунта, испытывающего пучение, можно найти Xfhи затем по этой же величине проверить устойчивость фундамента на выпучивание по условию (14.12).

Величина F_rзависит от сопротивления фундамента выпу­чиванию. Для свайных и столбчатых фундаментов без ушире-иий (рис. 14.12, а) при сливающемся деятельном слое значение

* Далматов Б. И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундамен­ты сооружений. Л.: Госстройиздат, 1957,

365

₁

^Haf

Рис.

14.12. Схемы действия сил при выпучивании —сааи; б —отдельного фундамента с анкером

f_r= F_Tiafопределяется по формуле

(14.13)

1=1

где л —число слоев, на которое разбивается массив вечномерзлого грунта в пределах фундамента; Raf.i—расчетное сопротивление смерзания ;-го слоя вечномерзлого грунта с боковой поверхностью фундамента, принимае­мое по данным изысканий или по таблицам СНиПа; Л_а]. /—площадь бо­ковой поверхности фундамента в пределах /-го слоя вечномерзлого грунта.

При несливающемся деятельном слое часть длины фунда­мента (сваи) ниже границы промерзания будет находиться в пределах талого грунта. Тогда

F_r= F_r. _a; + F_r. f,

где F_r. t—-расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучивания, раз­вивающегося в пределах слоя талого грунта:

п
Fr.f=Y,^Rf-l^Af-f>(14.14)

п — число слоев, на которое разбивается толща талых грунтов, соприкасаю­щаяся со'сваей (фундаментом); Rf./—расчетное сопротивление сдвигу бо­ковой поверхности сваи (фундамента) по грунту /-го слоя, принимаемое по табл. 11.3 с учетом коэффициентов условий работы грунта ло табл. 11.5 или 11.1; Af. i— площадь боковой поверхности сваи (фундамента) в пре­делах /-го слоя.

При возведении легких сооружений заглубление столбчатых фундаментов на 1 м в вечномерзлый грунт часто не гаранта-

3S5

рует их устойчивости на выпучивание. В связи е этим такие, фундаменты делают с анкерной влитой: (рис. 14.12,6)*. В этих условиях F_T. afопределяют по выражению

Fr. af "RafA_af+ 0,Ь7 R_shA_sh+ Fa,(Ш5)

где Rai — расчетное сопротивление смерзания грунта с боковыми гранями анкерной плиты; Aaj — площадь боковых граней анкерной плиты; R_sh — расчетное сопротивление сдвигу массива мерзлого грунта над анкерной пли­той (принимается изменяющимся с глубиной но параболе); A_sn ■— Площадь поверхности сдвига массива мерзлого грунта, расположенного над анкерной плитой; F_a— расчетная реактивная сила заделки анкера.

Реактивная сила заделки анкера возникает тогда, когда развивающаяся в процессе промерзания очередного элементар­ного слоя сила пучения стремится переместить замерзший слой грунта вместе с фундаментом вверх. Однако, поскольку такому перемещению не поддается устойчивый фундамент, в элемен­тарном слое грунта возникают силы, действующие вверх и вниз. Эти нормальные реактивные силы зависят от касательных сил пучения t[k, а суммарная их величина всегда равна сум­марной силе пучения.

Интенсивность нормальных реактивных сил о_г, возникаю­щих от действия касательных сил пучения, в настоящее врем» определяют различными методами, но все они очень прибли* жеины. Даже решение Р. Миндлина не может претендовать на точность в связи с наличием в. процессе промерзания трехслой* ной среды: мерзлого (промерзшего), талого (еще не промерз-шего) и вечномерзлого слоев. Решение же Р. Миндлина осно­вано на рассмотрении бесконечного однородного тела. В^: по­рядке первого приближения можно принимать треугольную зпюру с_г(см. рис. 14,12,6), распространяющуюся в стороны на расстояние, равное толщине промерзшего слоя *. Это про­стое предположение было подтверждено опытам* В., М. Улиц-кого, который измерял давления, возникающие на верхней полке анкера, в процессе промерзания грунтов' в Иркутской области.

Построив эпюру нормального давления су, в виде части усе­ченной пирамиды, можно найти a_r. max- К значениям а_гследует прибавить равномерно распределенное давление от собствен­ного веса грунта, находящегося над уступами анкерного^ фун­дамента. Далее находят F_a(реактивную силу заделки анкера)' по тем частям эпюры о> и собственному весу тех объемов., ко­торые расположены над уступами анкерного фундамента. Тогда для ленточного/ фундамента получают:

* Далматов Б. И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундамен­ты сооружений. Л.-М.: Госетройиздат, 1957, ■

Э67

а в случае осесимметричной задачи '(цилиндрический фунда­мент радиусом г с круглой анкерной плитой, имеющий вынос консоли 1с)

2nrx_fhd_fl_c(2L - I.) Г L(3L-2L)

^F* = 5(М-Зг) Г + 2L-//

где Tfi, — среднее значение расчетной удельной касательной силы пучения; df—глубина сезонного промерзания грунта (при сливающемся деятельном слое глубина оттаивания d_th)\ у — удельный вес грунта над анкерной пли­той; остальные обозначения даны на рис. 14.12,6.

Учитывать величину F_aпри заделке анкерных фундаментов в слой вечномерзлого грунта в большинстве случаев нет необ­ходимости, так как устойчивость фундамента обеспечивается сопротивлением смерзания мерзлого грунта сдвигу. Если же анкерный фундамент заделывается в талый грунт (например, при проектировании по принципу II), реактивную силу заделки анкера F_aприходится учитывать.

, Кроме выполнения расчетов, рассмотренных выше, необхо­димо убедиться, что реактивное давление над уступами анкер­ного фундамента не превышает несущей способности грунта на этой глубине, т. е. удовлетворяется условие

где R\ — расчетное сопротивление мерзлого грунта на уровне верха анкер­ной плиты; /4] — площадь верха анкерной плиты.

Так как при действии сил пучения фундаменты работают в вертикальном направлении на растяжение, их армируют вер­тикальными стержнями, рассчитанными по усилию

Кроме того, анкерную плиту армируют в верхней и нижней зо­нах, поскольку она работает на прогиб под нагрузкой Fи на выгиб под нагрузкой Fwпри пучении грунта.

14.4.9. Конструкции и устройство фундаментов

Наиболее рациональные конструкции фундаментов вы­бирают зная силы, действующие на фундаменты, и температур­ные условия грунтов основания, от которых зависит сопротив­ляемость мерзлого грунта нагрузкам. Поскольку температура в слое вечномерзлого грунта с глубиной понижается, к тому же всегда имеется опасение, что под действием случайных фак­торов верхняя часть слоя вечномерзлого грунта может оттаять, при проектировании и строительстве фундаментов по принципу I. целесообразно максимально возможное заглубление их. Это привело строителей к использованию свайных фундаментов. Как правило, при погружении свай в слой вечномерзлого грун-

368

та на глубину, в 3 раза большую толщины деятельного слоя, они вполне устойчивы и к действию касательных сил пучения.

Способ погружения свай в вечномерзлый грунт выбирают в зависимости от его температурных условий. В пластично-мерз­лые грунты (глины и суглинки) сваи обычно погружают забив­кой в лидерные скважины. При низких температурах вечно-мерзлого грунта (ниже —3 °С) допускается оттаивание его па­ровой иглой с забивкой свай в «мешок» оттаянного грунта (рис. 14.13, а), окруженный вечномерзльш грунтом. Объем от­таянного грунта должен быть как можно меньше, чтобы он мог быстро замерзнуть, отдавая тепло окружающему вечномерз-лому грунту, имеющему сравнительно низкую температуру.

Для ускорения промерзания оттаянного грунта иногда при­меняют саморегулирующие установки для охлаждения грунтов' систем С. И. Гапеева или Лонга. Однако в целях минимального нарушения теплового режима вечномерзлого грунта чаще всего используют буроопускные сваи. Для их устройства бурят сква­жины в которые можно свободно опустить изготовленные желе­зобетонные сваи. Перед опусканием свай скважины на одну треть заполняют грунтовым раствором (рис. 14.13,6). Раствор приготавливают из песка либо из смеси песка с местным грун­том. В этот раствор и погружают сваи . (обычно вибрирова­нием). При погружении свай под действием динамических им­пульсов грунтовый раствор вытесняется, заполняет все про­странство между мерзлым грунтом и сваей (рис. 14.13, в) и отно­сительно быстро замерзает, отдавая тепло окружающему вечно-мерзлому грунту.

При проектировании и строительстве фундаментов по прин­ципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунта) при­менение свай целесообразно, если они прорезают всю толщу

т-г-г.,

_А

•У