ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. Л. Ю. Артемова проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений учебное пособие
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
3. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ Цель расчета по предельным состояниям заключается в определении таких параметров оснований и фундаментов, при которых возникающие в них усилия и деформации были бы близки к установленным предельным значениям, ноне превышали их. При этом конструкции оснований и фундаментов должны быть надежными и экономичными. Повышение надежности фундаментов за счет увеличения размеров фундаментов, а следовательно, и расхода материалов, приводит, как правило, к увеличению стоимости строительства. В тоже время, уменьшение материалоемкости может привести к снижению надежности. Различают две группы предельных состояний. Первая группа – по несущей способности. Расчеты по этой группе предельных состояний должны осуществляться с учетом всех возможных форм разрушений, которые могут произойти в результате потери прочности или устойчивости при действии силовых факторов или в результате неблагоприятных воздействий внешней среды. Вторая группа – по деформациям. Расчеты поданной группе проводят с учетом факторов, затрудняющих нормальную эксплуатацию сооружений. Передаваемые сооружением нагрузки на грунты оснований через фундаменты в силу разных причин могут привести к появлению неравномерных осадок оснований. В результате развития последних произойдет перераспределение усилий в конструкциях сооружения ив некоторых из них возникнут дополнительные усилия, которые, в свою очередь, могут привести, например, к образованию трещин сне- допустимой шириной раскрытия. Вместе стем, осадки основания достигают предельно допустимых значений раньше, чем происходит потеря несущей способности грунтов основания. Поэтому расчет оснований выполняют, прежде всего, по второй группе предельных состояний 30 Для фундаментов определяющими являются расчеты по первой группе предельных состояний, так как деформации фундаментов в момент перед потерей ими несущей способности (разрушение, как правило, не превышают предельно допустимых значений. 3.1. Расчет оснований по первой группе предельных состояний Цель расчета оснований по первой группе (по несущей способности) состоит в том, чтобы была обеспечена необходимая прочность и устойчивость оснований, включая недопущение возможного сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания [8, 9]. Расчет по первой группе производят только в следующих случаях на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т.п.), в том числе сейсмические сооружение расположено на откосе или вблизи откоса основание сложено скальными грунтами (то есть отсутствуют деформации на фундамент действуют выдергивающие нагрузки основание сложено слабыми грунтами, в частности водонасы- щенными заторфованными и пылевато-глинистыми, имеющими мягкопластичную и текучепластичную консистенцию. Расчет оснований по несущей способности выполняют, исходя из условия γ ≤ γ , c u n F F (3.1) где F – расчетная нагрузка на основание γ c и γ n – соответственно коэффициенты условий работы и надежности по назначению сооружения сила предельного сопротивления основания. Коэффициент условий работы γ c учитывает благоприятные или неблагоприятные условия работы оснований, фундаментов и всего сооружения в целом, а в некоторых случаях и отдельных слоев грунта табл. 3.1). 31 Таблица 3.1 Коэффициенты условий работы [11, 12] Вид грунта Пески, кроме пылеватых 1,0 Пески пылеватые, пылевато-глинистые грунты в стабилизированном состоянии 0,9 Пылевато-глинистые грунты в нестабилизированном состоянии 0,85 Скальные грунты невыветрелые и слабовыветрелые 1,0 выветрелые 0,9 сильновыветрелые 0,8 Коэффициент надежности по назначению сооружения γ n учитывает степень долговечности и капитальности проектируемого сооружения, а также возможное несоответствие расчетных схем реальным условиям работы оснований, фундаментов и всего сооружения в целом. Принимается равными для сооружений I, II и III классов соответственно. 3.2. Расчет оснований по второй группе предельных состояний Целью расчета является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов такими значениями, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность [8, 9]. Деформации основания подразделяются на осадки – деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок просадки – деформации, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, таки дополнительных факторов (например, замачивание просадочного грунта подъемы и осадки – деформации, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка, при замерзании 32 воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта оседания – деформации земной поверхности, которые вызваны разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод горизонтальные перемещения – деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных систем, подпорные стены и т.д.); провалы – деформации земной поверхности с нарушением сплошности грунтов, которые образуются в результате обрушения толщи грунтов над карстовыми полостями или горными выработками. Деформации основания в зависимости от причин возникновения подразделяются на два вида первый – деформации от внешней нагрузки на основание (осадки, просадки, горизонтальные перемещения второй – деформации, несвязанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания (оседания, просадки грунтов от собственного веса, подъемы и т.п.). Расчет оснований по деформациям должен производиться из условия совместной работы сооружения и основания Совместная деформация основания издания может характеризоваться абсолютной осадкой основания S отдельного фундамента средней осадкой основания сооружения S ; относительной неравномерностью осадок двух фундаментов Δ S / L (здесь L – длина сооружения креном фундамента (сооружения) i ; относительным прогибом или выгибом f / L ( f – абсолютный прогиб или выгиб кривизной изгибаемого участка сооружения ρ; относительным углом закручивания сооружения ϑ ; 33 горизонтальным перемещением фундамента (сооружения) Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия ≤ , u S S (3.2) где S – совместная деформация основания и сооружения S u – предельное значение совместной деформации основания и сооружения табл. 3.2). Таблица 3.2 Предельные деформации основания Сооружения Предельные деформации основания Относительная разность осадок ( ΔS/L) u Крен i u Средняя u S (в скобках максимальная) осадка, см 1. Производственные и гражданские одноэтажные и многоэтажные здания с полным каркасом железобетонным 0,002 – (8) стальным 0,004 – (12) 2. Здания и сооружения, в конструкциях которых не возникают усилия от неравномерных осадок 0,006 – (15) 3. Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из крупных панелей 0,0016 0,005 10 крупных блоков или кирпичной кладки без армирования 0,0020 0,005 10 тоже, с армированием, в том числе с устройством железобетонных поясов 0,0024 0,005 15 3.2.1. Определение расчетного сопротивления грунта основания Для определения совместной деформации ( S ) системы фундамент основание в качестве модели грунтового основания нормами рекомендуется применять схему линейно-деформируемого полупространства. При этом должно выполняться условие ≤ , p R (3.3) 34 где p – среднее давление по подошве фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок R – расчетное сопротивление грунта основания соответствующее давлению, при котором в грунте под подошвой фундамента не нарушается линейная зависимость между деформациями и напряжениями. Расчетное сопротивление грунта основания под подошвой фундамента определяется по формуле (3.3), в которой индекс II означает, что она используется в расчетах по второй группе предельных состояний) где γ c1 – коэффициент условий работы грунтов основания (табл. 3.3); γ c2 – тоже, сооружения во взаимодействии с грунтами основания табл. 3.3); k – коэффициент, принимаемый равным k = 1, если прочностные характеристики грунта ( ϕ и c ) определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по табл. 1.7–1.9; M γ , M q и M c – безразмерные коэффициенты (табл. 3.4); γ II – осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, расположенных ниже подошвы фундамента (при наличии грунтовых вод определяется с учетом взвешивающего действия воды ′ γ II – тоже, залегающих выше подошвы, в случае однородного основания принимается ′ γ = γ II II ; d 1 – глубина заложения фундаментов от уровня планировки для бесподвальных зданий или приведенная глубина ( d red ) заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала (рис. 3.1); d b – глубина подвала (расстояние от уровня планировки до пола подвала (см. рис. 3.1); для сооружений с подвалом шириной B ≤ 20 ми глубиной болеем принимается d b = 2 м при ширине подвалам принимается d b = = 2; при отсутствии подвала d b = 0); k z – коэффициент, принимаемый равным прим прим (здесь z 0 = 8 м b – меньшая сторона подошвы фундамента c II – расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента. Величины ′ γ II и d red определяются по формулам 35 γ ⋅ + γ ⋅ + + γ ⋅ ′ γ = + + + II,1 1 II,2 2 II, II 1 2 , … … n n n h h h h h h (3.5) γ = + ′ γ II , cf red s cf d h h (3.6) в которых h 1 …h n – толщины слоев выше подошвы фундамента (см. рис. 3.1); в случае однородного основания ′ γ = γ II II ; h s – толщина слоя грунта, залегающего выше подошвы фундамента со стороны подвала h cf – толщина конструкции пола подвала γ cf – расчетный удельный вес конструкции пола подвала. Если в результате расчета окажется, что d red > d 1 , тов формуле (3.4) принимают d b = 0, а глубину заложения фундамента (d 1 ) принимают как для бесподвальных сооружений. При наличии в пределах сжимаемой толщи основания на глубине от подошвы фундамента слоя грунта меньшей прочности, чем прочность грунта вышележащих слоев, размеры фундамента должны назначаться такими, чтобы в слабом слое обеспечивалось условие σ + σ ≤ zp zg z R (3.7) Таблица 3.3 Коэффициенты условий работы Грунты Коэффициент Коэффициент γ c2 для сооружений с жесткой конструктивной схемой при отношении длины сооружения или его отсека к высоте L/H, равном 4 и более 1,5 и менее Крупнообломочные с песчаным заполнителем и пески, кроме мелких и пылеватых 1,4 1,2 1,4 Пески мелкие 1,3 1,1 1,3 Пески пылеватые: маловлажные и влажные 1,25 1,0 1,2 насыщенные водой 1,1 1,0 1,2 Глинистые, а также крупнообломочные с глинистым заполнителем с показателем текучести грунта или заполнителя I L ≤ 0,25 1,25 1,0 1,1 Тоже, при 0,25 < I L ≤ 0,5 1,2 1,0 1,1 Тоже, при I L > 0,5 1,0 1,0 1,0 36 Примечания. 1. К сооружениям с жесткой конструктивной схемой относят сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформаций оснований, а именно здания панельные, блочные и кирпичные, в которых междуэтажные перекрытия опираются по всему контуру на поперечные и продольные стены или только на поперечные несущие стены при малом их шаге. 2. Для зданий с гибкой конструктивной схемой значение коэффициента принимают равным единице. 3. При промежуточных значениях L/H коэффициент γ c2 определяют интерполяцией. 4. Для рыхлых песков γ c1 и γ c2 принимают равными единице. Таблица 3.4 Коэффициенты M γ , M q и Угол внутреннего трения ϕ II , град. Коэффициенты Угол внутреннего трения ϕ II , град. Коэффициенты M γ M q M c M γ M q M c 0 0 1,00 3,14 23 0,69 3,65 6,24 1 0,01 1,06 3,23 24 0,72 3,87 6,45 2 0,03 1,12 3,32 25 0,78 4,11 6,67 3 0,04 1,18 3,41 26 0,84 4,37 6,90 4 0,06 1,25 3,51 27 0,91 4,64 7,14 5 0,08 1,32 3,61 28 0,98 4,93 7,40 6 0,10 1,39 3,71 29 1,06 5,25 7,67 7 0,12 1,47 3,82 30 1,15 5,59 7,95 8 0,14 1,55 3,93 31 1,24 5,95 8,24 9 0,16 1,64 4,05 32 1,34 6,34 8,55 10 0,18 1,73 4,17 33 1,44 6,76 8,88 11 0,21 1,83 4,29 34 1,55 7,22 9,22 12 0,23 1,94 4,42 35 1,68 7,71 9,58 13 0,26 2,05 4,55 36 1,81 8,24 9,97 14 0,29 2,17 4,69 37 1,95 8,81 10,37 15 0,32 2,30 4,84 38 2,11 9,44 10,80 16 0,36 2,43 4,99 39 2,28 10,11 11,25 17 0,39 2,57 5,15 40 2,46 10,85 11,73 18 0,43 2,73 5,31 41 2,66 11,64 12,24 19 0,47 2,89 5,48 42 2,88 12,51 12,79 20 0,51 3,06 5,66 43 3,12 13,46 13,37 21 0,56 3,24 5,84 44 3,38 14,50 13,98 22 0,61 3,44 6,04 45 3,66 15,64 14,64 37 Рис. 3.1. Схема к пояснению параметров в формуле (3.4). Деление на слои (h 1 …h n ) для случая планировки подсыпкой не показано где σ zp и σ zg – вертикальные напряжения в грунте на глубине z от подошвы фундамента от дополнительной нагрузки на фундамент и от собственного веса грунта соответственно (см. раздел 2.3); R z – расчетное сопротивление грунта пониженной прочности на глубине z, вычисленное по формуле (3.4) для условного фундамента шириной b z , м, равной = + − 2 , z z b A a a (3.8) где b DL – отметка планировки срезкой – отметка планировки подсыпкой h s h cf d b d b d red γ II,1 γ II,2 γ II,n h n Подвал 38 = σ , z zp A N = − ( ) 2, a l где N – вертикальная нагрузка на основание от фундамента l и b – соответственно длина и ширина фундамента. Для упрощения расчетов при предварительном назначении размеров фундамента нормами рекомендуется в качестве расчетного сопротивления грунта использовать R 0 (табл. 3.5–3.8), которые относятся к условным фундаментам, имеющим ширину b 0 = 1 ми глубину заложения м. Также значения R 0 допускается использовать для окончательного назначения размеров фундаментов сооружений III класса. При этом расчетное сопротивление грунта основания R определяется по формулам прим) прим) где b и d – соответственно ширина и глубина заложения проектируемого фундамента ′ γ II – см. пояснения к формуле (3.4); k 1 – коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, кроме пылеватых песков, k 1 = 0,125, пылеваты- ми песками, супесями, суглинками и глинами k 1 = 0,05; k 2 – коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, k 2 = 0,25, супесями и суглинками k 2 = 0,2 и глинами. Таблица 3.5 Расчетные сопротивления R 0 крупнообломочных грунтов Крупнообломочные грунты Значение R 0 , кПа (кгс/см 2 ) Галечниковые (щебенистые) с заполнителем песчаным 600 (6) пылевато-глинистым при показателе текучести ≤ 0,5 L I 450 (4,5) < ≤ 0,5 0,75 L I 400 (4) 39 Продолжение табл. 3.5 Крупнообломочные грунты Значение R 0 , кПа (кгс/см 2 ) Гравийные (дресвяные) с заполнителем песчаным 500 (5) пылевато-глинистым при показателе текучести ≤ 0,5 L I 400 (4) < ≤ 0,5 0,75 L I 350 (3,5) Таблица 3.6 Расчетные сопротивления R 0 пылевато-глинистых (непросадочных) грунтов Пылевато-глинистые грунты Коэффициент пористости е Значение R 0 , кПа (кгс/см 2 ), при показателе текучести грунта = 0 L I = Супеси 0,5 300 (3) 300 (3) 0,7 250 (2,5) 200 (2) Суглинки 0,5 300 (3) 250 (2) 0,7 250 (2,5) 180 (1,8) 1,0 200 (2) 100 (1) Глины 0,5 600 (6) 400 (4) 0,6 500 (5) 300 (3) 0,8 300 (3) 200 (2) 1,1 250 (2,5) 100 (1) Таблица 3.7 Расчетные сопротивления R 0 песчаных грунтов Пески Значение R 0 , кПа (кгс/см 2 ), в зависимости от плотности сложения песков Плотные Средней плотности Крупные 600 (6) 500 (5) Средней крупности 500 (5) 400 (4) Мелкие маловлажные 400 (4) 300 (3) влажные и насыщенные водой 300 (3) 200 (2) Пылеватые: маловлажные 300 (3) 250 (2,5) влажные 200 (2) 150 (1,5) насыщенные водой 150 (1,5) 100 (1) 40 Таблица 3.8 Расчетные сопротивления R 0 насыпных грунтов Характеристика насыпи R 0 , кПа (кгс/см 2 ) Пески крупные, средней крупности и мелкие, шлаки и т.п. при степени влажности Пески пылеватые, супеси, суглинки, глины, золы и т.п. при степени влажности Насыпи, планомерно возведенные с уплотнением 250 (2,5) 200 (2,0) 180 (1,8) 150 (1,5) Отвалы грунтов и отходов производств с уплотнением 250 (2,5) 200 (2,0) 180 (1,8) 150 (1,5) без уплотнения 180 (1,8) 150 (1,5) 120 (1,2) 100 (1,0) Свалки грунтов и отходов производств с уплотнением 150 (1,5) 120 (1,2) 120 (1,2) 100 (1,0) без уплотнения 120 (1,2) 100 (1,0) 100 (1,0) 80 (0,8) Примечания. 1. Значения R 0 в настоящей таблице относятся к насыпным грунтам с содержанием органических веществ орг. 2. Для неслежавшихся отвалов и свалок и отходов производств значения R 0 принимаются с коэффициентом. Пример 3.1. Определить расчетное сопротивление грунта основания фундаментов здания со смешанным (неполным) каркасом. Под частью здания имеется подвал. Планировка поверхности выполнена срезкой. Длина зданиям, высотам. Грунт основания суглинок, имеющий следующие характеристики показатель текучести I L = 0,4; коэффициент пористости e = 0,45; естественная плотность ρ = 2000 кг/м 3 . Плотность насыпного грунта (выше подошвы кг/м 3 1. Ленточный фундамент наружной стены бесподвальной части здания. Ширина фундаментам, глубина заложения подошвы от спланированной отметки d 1 = 1,8 м. Решение По табл. 1.8 для суглинка си находим ϕ n = 24° и c n = 0,039 МПа. Далее по табл. 3.4 для ϕ II находим безразмерные коэффициенты M γ = 0,72, M q = 3,87 и M c = 6,45. 41 По отношению L/H = 30/27 = 1,11 и табл. 3.3 находим γ c1 = 1,2 и γ c2 = 1,1. Так как ϕ II и c II приняты по таблицами, то k = 1,1. Так как b ≤ 10 м, то k z = 1. Расчетное сопротивление грунта по формуле (3.4) составит ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + 1,2 1,1 (0,72 1,0 2,8 0,02 3,87 1,8 0,018 1,1 R + ⋅ = 6,45 0,039) 0,5 МПа. 2. Ленточный фундамент наружной стены секции здания с подвалом. Ширина фундаментам, глубина подвалам, толщина бетонного пола подвалам кг/м 3 , толщина фундаментам. Грунтовые условия такие же, как ив бесподвальной части здания. Решение Приведенная глубина заложения фундамента от пола подвала (формулам. Расчетное сопротивление грунта по формуле (3.4) будет равно ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + − ⋅ + 1,2 1,1 (0,72 1,0 2,8 0,02 3,87 0,41 0,018 (3,87 1) 2,00,018 1,1 R + ⋅ = 6,45 0,039) 0,51 МПа. 3. Фундамент под колонну в бесподвальной части здания. Размеры подошвы фундаментам, глубина заложения подошвы – 1,0 м. Данные по грунтам – см. выше в п. 2, 3. Расчетное сопротивление в основании фундамента составит ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + 1,2 1,1 (0,72 1,0 1,5 0,02 3,87 1,0 0,018 1,1 R + ⋅ = 6,45 0,039) МПа. |