эл. учебник. И фундаменты

• Название: И фундаменты
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: эл. учебник.doc
• Тип: Учебник; #746623
• страница: 21 из 26

Н

л

ь

v

V

ь

4""

A-A

S)

_т

Рис. 14.13. Способы погружения свай в вечномерзлый грунт

I — граница вечномерзлого грунта; 2 — оттаянный грунт; 3 — скважина; i— грунтовый

раствор

369

Рис. 14.14. Схемы свайных фундаментов при проектировании а строительства

по принципу II

j — сваы; 2 —граница вечаомерзлого грунта; 3 —грунт, ие проявляющий просадочных

свойств при оттаивании

рьдоеодержащих грунтов и передают давление на скальную по­роду или другой не проседающий при оттаивании грунт (рис. 14.14, а). Сваи можно использовать и с целью передачи давления на мерзлые грунты, находящиеся ниже зоны оттаива­ния вследствие выделения тепла зданием и трубопроводами, расположенными в грунте (рис. 14.14,6). Те и другие сваи, по­груженные в грунт до его оттаивания, будут испытывать воздей­ствие отрицательно направленного трения, пригружающего их.

Использование отдельных фундаментов, опирающихся на со­храняемый слой вечномерзлого грунта, практикуется редко, так как их устройство требует затрат ручного труда и сохранения грунта в вечномерзлом состоянии при отрывке котлована.

Под большие нагрузки иногда применяют глубокие столбча­тые фундаменты. Для их устройства в вечномерзлом грунте бу­рят скважины диаметром 80...120 см и более, которые затем за­полняют бетонной смесью, прогревая ее для обеспечения схва­тывания и твердения до требуемой прочности. Режим прогре­вания подбирают с таким расчетом, чтобы оттаивание грунтов вокруг фундамента было минимальным.

Фундаменты, устраиваемые по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунтов), делают аналогично фунда­ментам в условиях обычного сезонного промерзания (см. п. 9, 10 и п. 13).

На фундаменты, возведенные по- принципу II, особенно лен­точные, часто воздействуют значительные силы пучения. Для увеличения устойчивости фундаментов, подвергающихся воз­действию сил пучения, их делают монолитными с заанкеренной плитой или стремятся уменьшить суммарные силы пучения, при­нимая в верхней части фундамента наименьшее сечение, чтобы сократить площадь смерзания грунта с фундаментом.

Иногда с целью уменьшения сил пучения фундаменты в пре­делах деятельного слоя покрывают незамерзающими обмазка-

370

ми '(битумом, растворенным в мазуте). В последнее время по-' явились предложения применять для покрытия боковых поверх­ностей фундаментов высокомолекулярные соединения на основе эпоксидной смолы. В результате такого покрытия поверхность смерзания делается гладкой и прочность смерзания грунта с по­верхностью фундаментов уменьшается. Существенного сниже­ния сил пучения можно добиться обсыпкой фундаментов гра­вием или песком, Однако эти обсыпки должны быть дрениро­ваны и защищены от заиления, так как после заиления они при­обретают пучинистые свойства. Рекомендации по снижению сил пучения применяют также в районах глубокого сезонного про­мерзания, особенно когда глубина промерзания превышает 2 м. Рассмотренные вопросы, связанные со строительством на структурно-неустойчивых грунтах свидетельствуют о трудно­стях, с которыми приходится сталкиваться при проектировании м устройстве фундаментов в таких условиях. Детально рассмо­треть эти вопросы в учебнике невозможно, поэтому при проек­тировании и строительстве фундаментов в районах распростра­нения структурно-неустойчивых грунтов необходимо пользовать­ся обширной литературой, посвященной этим вопросам.

15. ФУНДАМЕНТЫ ОРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

15.1. Устойчивость грунтов оснований при динамических воздействиях

.15.1.1. Источники колебаний грунта

Основными источниками колебаний являются: работа стационарно установленных неуравновешенных машин и меха* иизмов, движение различных видов транспорта, механизирован­ное выполнение строительных работ, взрывные работы, сейсми­ческие воздействия, порывы ветра, удары волн.

Большая часть источников колебаний характеризуется удар­
ным воздействием. Одиночный ударный импульс вызывает сво­
бодные колебания системы грунт — сооружение, периодические
импульсы — вынужденные колебания. По мере распространения
колебаний в грунте происходит их затухание, которое принято
оценивать коэффициентом относительного

демпфирования.

Характер и интенсивность колебаний при движении транс­порта зависит от состояния дорожного покрытия или рельсо­вого пути.

Так, в одном из районов Ленинграда здания, расположен­ные на расстоянии около 100 м от железной дороги, испыты-

371

вали значительные колебания. Было рекомендовано заменить деревянные шпалы железобетонными, увеличить балластный слой и сделать рельсы сварными. После такой реконструкции колебания этих зданий стали неощутимы.

Значительные колебания возникают в грунте при выполне­нии строительных работ (забивка свай, шпунта, применение ■Шар- или клин-молота для разработки мерзлого грунта или разрушения старых фундаментов). Такие колебания не только неприятны для проживающих в соседних домах, но могут при­водить к дополнительной осадке зданий, в результате чего в конструкциях появляются трещины, происходят вывалы кирпи­чей, перемычек и сборных элементов, имеющих малую глубину опор. Согласно исследованиям ВНИИГСа обычно допускается забивать сваи не ближе 20 м от существующих зданий.

Наибольшую, а главное постоянную, неприятность достав­ляет работа неуравновешенных машин и механизмов, которые передают колебания через грунт на значительные расстояния. ■Такая вибрационная нагрузка даже сравнительно небольшой интенсивности иногда может вызвать значительные колебания отдельных конструкций и даже всего сооружения. Это объяс­няется явлением резонанса — совпадением частоты возмущаю­щей силы с частотой собственных колебаний этих конструкций или всего сооружения.

На одном из предприятий в Ленинграде при работе двух ря­дом стоящих компрессоров, расположенных на расстоянии око­ло 300 м от жилых зданий, в верхних этажах последних на­блюдались значительные колебания, при которых нормальная эксплуатация помещений была невозможна. Осуществление вза­имного гашения возмущающей силы двух соседних компрессо­ров путем парной асинхронизации их позволило существенно снизить интенсивность колебаний.

15.1.2. Явления, происходящие в грунте при динамических воздействиях

Известно, что наличие в любой сплошной среде источ­ника колебаний вызывает возникновение вокруг него продоль­ных и поперечных волн. Строителей эти волны интересуют, в частности, в отношении их распространения в грунтовой среде.

В пределах массива грунта и скальных пород импульсный источник колебаний вызывает возникновение продольных волн (сжатия и растяжения), создающих колебания частиц среды в направлении распространения волн, и поперечных в-о л н, или волн сдвига, создающих колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном направлению распростране­ния волн. Кроме того, возникают поверхностные волны,

372

перемещающиеся параллельно поверхности земли преимущест­венно в поверхностном слое. Такие волны иногда называют волнами Рэлея. Следовательно, в качестве одного из явле« ний, происходящих в грунте при динамических воздействиях, можно отметить распространение волн от источников ко* лебаний.

Если бы грунты были идеально упругими телами, то волны от источников колебаний распространялись бы в них на значи­тельное расстояние. Однако, как показывают эксперименты, ко­лебания грунта по мере удаления от источника колебаний з а -тух а ют. Наиболее интенсивное затухание колебаний наблю­дается в сухих и маловлажных грунтах. При насыщенных во­дой пылевато-глшшстых грунтах процесс затухания существен­но слабее, и волны могут распространяться на большие расстоя­ния. Интенсивность затухания колебаний зависит также от ча­стоты возмущающей силы: при высокой частоте затухание ко* лебаний происходит более интенсивно.

Результатом передачи грунтом колебаний на сооружение являются колебательные движения отдельных конструкций и сооружения в целом. В .большинстве случаев эти колебания не­значительны. Амплитуда их измеряется микронами и даже до­лями микрона. Однако человеческий организм остро восприни­мает такие колебания и болезненно реагирует на них. Если же отдельная конструкция или сооружение испытывают резонанс, то возникают значительные колебания, амплитуда которых мо­жет достигать нескольких миллиметров. При колебаниях кон­струкций с амплитудой даже в десятые доли миллиметра создаются условия, недопустимые для организма человека. Это необходимо учитывать при проектировании фундаментон источников колебаний, в частности фундаментов под ма­шины.

Ранее уже отмечалась способность песков уплотняться при динамических воздействиях. При определенной их интенсивно* сти возможны нежелательные последствия в виде дополнитель-ной осадки фундаментов. Уплотнение грунта при постоянной интенсивности динамических воздействий носит затухающий ха­рактер. Фундаменты, расположенные на неодинаковом рас­стоянии от источника колебаний будут получать различную осадку.

Кроме того, колебания вызывают в грунте напряжения, ко­торые вместе с напряжениями от статических нагрузок могут привести к увеличению зон сдвигов под существующими фунда­ментами и вызвать дополнительные осадки вследствие выдав­ливания грунта из этих зон в стороны. Наконец, при опреде­ленной интенсивности динамических воздействий происходит разжижение насыщенных водой песков. Это яв­ление, исследованное П. Л. Ивановым, Н. Н. Масловым,

373

В. А. Флориным, нередко приводит к полной потере устойчиво­сти грунта основания. В таком случае возможны провальные осадки сооружений.

Так, в долине р. Ганг в Индии во время землетрясения в грунте «тонули» одноэтажные здания, получившие осадку 1...2 м. Такая осадка сопровождалась фонтанированием разжи­женного песка в местах разрыва почвенного слоя.

Таким образом, динамические воздействия на грунты вызы­вают: распространение волн с затуханием их по мере удаления от источника колебаний; явление резонанса в отдельных кон­струкциях и сооружениях при совпадении частот свободных и вынужденных колебаний; уплотнение несвязных грунтов; изме­нение напряженного состояния грунтов, которое может вызвать развитие зон сдвигов и даже общую потерю устойчивости грун­тов в основании; разжижение несвязных грунтов, насыщенных водой, с превращением их в тяжелую жидкость.

15.1.3. Меры по увеличению устойчивости грунтов в основании

Качество грунта часто можно улучшить, и он будет обла­дать достаточной устойчивостью при динамических воздействиях ожидаемой интенсивности. Для этого грунт уплотняют более интенсивными динамическими воздействиями (трамбованием или вибрированием) либо закрепляют его, иногда уплотняют грунтовыми (песчаными) сваями. В некоторых случаях грунт с неустойчивой структурой при динамических воздействиях про­ходят сваями или устраивают фундаменты глубокого заложе­ния.

Существует несколько способов уменьшения динамических воздействий на сооружение от какого-либо источника колеба­ний. Во-первых, можно провести ряд мероприятий по демпфи­рованию (гашению) колебаний на самом источнике колебаний путем улучшения конструкции подвески, применения специаль­ных конструктивных виброгасителей и виброопор, уменьшения неуравновешенных масс в конструкции самого механизма, уст­ройства наружной виброизоляции фундамента. Во-вторых, мо­жно выполнить некоторые мероприятия в грунтах, по которым распространяются колебания. Например, -осушить территорию, устроить специальные экраны в виде траншей, заполненных шла­ком или другим подобным материалом. В-третьих, возможно применение мер непосредственно к сооружению, Так, устраивают свайные фундаменты, которые менее восприимчивы к колеба­ниям. При низкочастотных колебаниях (менее 600 импульсов в минуту) большое значение приобретают конфигурация и ориентация здания в плане, его этажность и конструктивная схема.

374

15.2. Фундаменты под машины

Д5.2.1. Типы машин

По характеру динамического воздействия машины мож­но разделить на две группы: периодического и непериодиче­ского действия *.

Машины периодического действия, в свою очередь, подраз­деляются на три подгруппы: с равномерным вращением (элек­тродвигатели, мотор-генераторы, турбогенераторы, роторы, тур­бовоздуходувки и др.); с равномерным вращением и связанным с ним возвратно-поступательным движением (машины с криво-шипно-шатунным механизмом — компрессоры, насосы, двига­тели внутреннего сгорания, лесопильные рамы и др.); с воз­вратно-поступательным движением, завершающимся непрерыв­но следующими один за другим ударами (встряхивающие и ви-брационно-ударные машины).

Машины непериодического действия также делятся на три подгруппы: с неравномерным вращением или возвратно-посту­пательным движением (приводные электродвигатели прокатных станов, генераторы разрывных мощностей и др.); с возвратно-поступательным движением, завершающимся отдельными уда­рами (молоты ковочные и штамповочные, копровые устройства и др.); с давлением, вызывающим перемещение обрабатывае­мого материала и передающим на фундамент случайные на­грузки (мельничные установки).

Машины с равномерным вращением теоретически уравнове­шены. Однако фактически и у них всегда есть некоторая не­уравновешенность вращающихся частей. В результате этого на фундаменты передаются колебания, которые в ряде случаев не­обходимо учитывать. Значительно большую неуравновешен­ность сил инерции имеют машины с кривошипно-шатунным ме­ханизмом. Еще более сложную неуравновешенность имеют встряхивающие и вибрационно-ударные машины.

Машины непериодического действия преимущественно свя­заны с ударными нагрузками или с нагрузками, изменяющими­ся во времени по' сложному закону.

16,2.2. Требования, предъявляемые к фундаментам под машины

Фундамент должен быть надежным основанием маши­ны, обеспечивающим ее нормальную эксплуатацию, не должен вызывать помех в виде недопустимых колебаний конструкций

* Савинов О. А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет, Л.; Стройиздат, 1979,

375

здания и других соседних сооружений. В связи с этим к фун«. даментам под машины предъявляют следующие требования:

1. 
   удобство размещения, возможности сборки и надежного
   крепления на нем машины;
   
2. 
   прочность, устойчивость и выносливость всех его элемен­
   тов;
   
3. 
   исключение недопустимых осадок и деформаций, нару­
   шающих нормальную эксплуатацию машины;
   
4. 
   исключение недопустимых вибраций, мешающих работе
   машины и обслуживающего персонала, и других помех.
   
5. 
   уменьшение колебаний, передаваемых на грунты основа­
   ния, если они могут отразиться на условиях нормальной экс­
   плуатации здания, в котором размещена машина, и соседних
   зданий и сооружений.
   

Выполнение первого требования обеспечивается на заводе-изготовителе. Второе требование выполняется при проектирова­нии фундамента путем расчета всех его железобетонных эле­ментов, третье — должно быть удовлетворено в соответствии со СНиПом.

Вследствие небольшой статической нагрузки осадки фунда­ментов под машины даже при грунтах среднего качества на­много меньше предельно допустимых значений, но неравномер­ности их могут быть значительными. Когда машины состоят из отдельных частей, их взаимное положение строго задано. Не­равномерности осадки при большой длине фундамента и малой его жесткости могут привести к взаимному смещению отдель­ных частей машины. В возникновении неравномерностеи осадки рассматриваемого фундамента существенную роль играет за­грузка близко расположенных фундаментов самого здания, в котором установлена машина. Это обусловлено двумя факто­рами: 1) большей уплотненностью грунтов в основании фунда­ментов самого сооружения, если грунты уплотнились до мон­тажа машины; 2) медленной деформацией глин и суглинков в основании сооружения при незавершенной консолидации их до монтажа машины.

Особенно чувствительны к неравномерным осадкам фунда­менты большой протяженности (фундаменты бумагоделатель­ных машин, прокатных станов,.мощных турбоагрегатов и др.).

Выполнение четвертого требования обеспечивается расчетом фундамента на динамические воздействия, развивающиеся при работе машины. Исключение вибраций самого фундамента, не­допустимых для машины и рабочего персонала, является одной из основных задач проектирования фундамента под машину,

Пятое требование обычно рассматривается в двух случаях; либо при недопустимости передачи даже сравнительно иеболь. ших колебаний на конструкции сооружений (например, на фун­даменты зданий с чувствительным оборудованием или жилых

376

домов), либо при проектировании фундаментов, передающих большие динамические нагрузки (фундаменты под молоты и т. п.).

15.2.3. Расчеты фундаментов под машины с вращательным и возвратно-поступательным движением

Точное решение задачи о колебаниях сложной системы машина — фундамент'—основание в настоящее время практиче­ски не применяется. Во многих случаях в этом нет необходи­мости. Еще в 1933 г. Н. П. Павлюк предложил рассматривать машину с монолитным сплошным фундаментом как абсолютно твердое тело, поскольку модуль упругости металла и бетона в сотни и даже тысячи раз больше модуля упругости грунтов. Второе предложение Н. П. Павлюка сводилось к принятию ос­нования при вибрационной нагрузке упругим, лишенным мас­сы. Положительный опыт строительства фундаментов под ма­шины, рассчитанных с этими допущениями, подтвердил их пра­вомерность.

СИиП рекомендует оценивать упругие свойства грунтов ос­нования при плоской задаче четырьмя коэффициентами: равно­мерного упругого сжатия С_г; неравномерного упругого сжатия '(поворота) С_ч,; равномерного упругого сдвига С_х; неравномер­ного упругого сдвига С,|,.

Эти коэффициенты связывают напряжения а₂, о_хи моменты М_ф и М^, действующие по подошве фундамента, с вызываемы­ми ими соответствующими упругими перемещениями: верти­кальными Z, горизонтальными X, поворотами ф и \\iотноси­тельно главной горизонтальной оси инерции и вертикальной оси, проходящих через центр тяжести площади подошвы фун­дамента:

]

а_х/С_х F_x/{C_xA_f) =* Р_х/К_х;

_Ф = лу(су) = луяу, ■

где F₂, F_x— силы, действующие параллельно осям соответственно гид;; Af— площадь подошвы фундамента; М^, М^ — моменты внешних сил со­ответственно относительно горизонтальной и вертикальной осей, проходящих через центр тяжести подошвы фундамента; /, /ф — моменты инерции пло-щади подошвы фундамента соответственно относительно центральной оси, перпендикулярной плоскости действия момента, и вертикальной оси, прохо­дящей через центр тяжести площади подошвы фундамента; /Cz. /Сф, Кх> Кл\> — коэффициенты жесткости основания соответственно при равномерном и не­равномерном упругом сжатии, равномерном и неравномерном упругом сдви­ге; значения коэффициентов С_г, С^, С_хи С\|, могут быть определены испы­танием на колебания опытного фундамента.

377

При отсутствии экспериментальных данных СНиП рекомен­дует определять значение С_г для фундаментов с площадью по­дошвы А} не более 200 м² по формуле:

C₂ = u_o£o(H-V^7IF), (15.2)

где &о — коэффициент, м-¹; принимается для песков равным 1, для супесей и суглинков — 1,2, для глин и крупнообломочных грунтов — 1,5; Ео — мо­дуль общей деформации грунта, определяемый методами механики грунтов, МПа; А_о= 10 м²; Af — площадь подошвы фундамента, м².

При расчете фундаментов с площадью Af^ 50 м² значение C_z, как считает О. А. Савинов*, можно определять в зависимо­сти от расчетного сопротивления грунта:

Расчетное сопротивление грунта R, МПа	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Сг, МПа/м	20	40	50	60	70