Текст. Принципы проектирования оснований и фундаментов на подрабатываемых территориях

• Название: Принципы проектирования оснований и фундаментов на подрабатываемых территориях
• Дата: 30.08.2022
• Размер: 0.86 Mb.
• Имя файла: Текст.doc
• Тип: Документы; #656923

Принципы проектирования оснований и фундаментов на подрабатываемых территориях

Подрабатываемые территории в зависимости от интенсивности прогнозируемых максимальных деформаций земной поверхности по СНиП II-8-78 [3] подразделяются на четыре группы (например, для III группы ε = 3÷5 мм/м, R = 12÷7 км, i = 5÷7 мм/м); территории, на которых образуются уступы, также подразделяются на четыре группы (например, для группы III к высота уступа h = 5÷10 см).

Расчетные значения относительных горизонтальных деформаций земной поверхности определяются с учетом коэффициентов перегрузки γ_f и условий работы γ_с:

ε = ε_maxγ_fγ_c,

(12.1)

где ε_max — ожидаемые (прогнозируемые) максимальные деформации земной поверхности на участке здания.

При расчете конструкций сооружений на воздействие деформаций земной поверхности применяется, как правило, принцип независимости действия горизонтальных деформаций, кривизны и наклонов.

Перемещение грунта относительно фундаментов (рис. 12.2), вызванное горизонтальными деформациями, определяется по формуле

Δl = xε,

(12.2)

где x — расстояние от центральной оси отсека, блока пространственной жесткости или центральной колонны до сечения фундамента бескаркасного здания или рассматриваемой колонны каркасного здания.

Воздействия от неравномерных осадок фундаментов, вызванных естественной неоднородностью грунта, не суммируются с воздействиями от искривления основания, вызванного подработкой, вследствие того, что подработка происходит во время эксплуатации зданий после стабилизации строительных осадок. На площадках, сложенных просадочными грунтами, конструкции зданий и сооружений должны проектироваться с учетом возможного совместного воздействия на них деформаций от подработки и просадок [4, 7].

Материалы инженерно-геологических изысканий должны дополнительно учитывать возможность изменений физико-механических свойств грунтов вследствие изменений гидрогеологических условий площадки, вызванных оседанием земной поверхности, а также возможность образования оползней, заболачивания территории и т.п.


Рис. 12.2. Нагрузка и усилия в заглубленной части жесткого фундамента под воздействием деформаций растяжения

а — план фундаментов с нагрузками; б — разрез; в — эпюра перемещений грунта; г — эпюра сдвигающих нагрузок t_t по подошве фундаментов; д, с, ж, и — эпюры усилий соответственно N_t + N_n; N_tn; N_g и суммарная эпюра усилий N; I — оси, разбивающие фундаменты поперечных стен на участки, тяготеющие к фундаментам поперечных стен; II — фундаментный железобетонный пояс; 1–4 — оси поперечных стен

Расчетные значения прочностных φ и с и деформационных Е₀ характеристик грунта для определения усилий, воздействующих на фундаменты в результате деформаций земной поверхности, должны приниматься равными нормативным с коэффициентом надежности по грунту γ_g = 1.

Фундаменты сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях, могут проектироваться на воздействие горизонтальных деформаций основания по жесткой, податливой или комбинированной конструктивным схемам с применением фундаментных железобетонных поясов, плит, связей-распорок между фундаментами под колонны, горизонтального шва скольжения и т.п.

Для зданий с жесткой конструктивной схемой (имеющих поэтажные пояса и ленточный замкнутый фундаментный пояс) при определении расчетных сопротивлений грунта основания коэффициент условий работы γ_с2 принимается по табл. 12.1 в зависимости от отношения длины здания (или отсека) L к его конструктивной высоте Н, считая от подошвы фундаментов.

ТАБЛИЦА 12.1. КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ γ_c2

Грунты	γc2 при отношении длины здания к его высоте
	L/H ≥ 4	4 > L/H > 2,5	2,5 ≥ L/Н > 1,5	L/H ≤ 1,5
Крупнообломочные с песчаным заполнителем и пески, кроме мелких и пылеватых	1,4	1,7	2,1	2,5
Пески мелкие –||– пылеватые	1,3 1,1	1,6 1,3	1,9 1,7	2,2 2,0
Крупнообломочные с глинистым заполнителем и глинистые с IL ≤ 0,5 То же, с IL > 0,5	1,0 1,0	1,0 1,0	1,1 1,0	1,2 1,0

Краевое давление на грунты основания плитных фундаментов зданий и сооружений башенного типа, а также отдельных фундаментов промышленных зданий следует рассчитывать с учетом наклонов земной поверхности. Это давление не должно превышать 1,4R (в угловой точке 1,5R), а равнодействующая всех нагрузок не должна выходить за пределы ядра сечения.

С учетом повышенных давлений на основание ширину подошвы бетонных и железобетонных фундаментов следует устанавливать не менее 25 см, а в случае применения других материалов — не менее 40 см.

Для уменьшения неблагоприятного воздействия деформаций земной поверхности на фундаменты и конструкции сооружений необходимо применять следующие мероприятия: разрезку на отсеки; отделение фундаментов швом скольжения; устройство связей-распорок между отдельными фундаментами каркасных зданий; размещение фундаментов на одном уровне; устройство грунтовых подушек на основаниях, сложенных практически несжимаемыми грунтами; выполнение грунтовых подушек из материалов, обладающих малым сцеплением и трением на контакте с поверхностью фундаментов; разработку временных компенсационных траншей по периметру здания или сооружения или только в местах наибольших горизонтальных перемещений грунта. К числу таких мероприятий относится также устройство податливых и слабых конструктивных элементов, которые в процессе подработки могут деформироваться (например, применение ограждающих панелей глубоких подвальных помещений каркасных зданий, рассчитанных на активное боковое давление грунта; часть панелей при значительных деформациях во время подработки может быть заменена).

На территориях, на которых возможно образование уступов, выбор типа фундаментов и метода защиты зданий должен зависеть от размеров ожидаемых уступов: при малых размерах ожидаемых уступов (до 5 см) фундаменты могут приниматься как и для строительства на площадках с плавными деформациями земной поверхности; при размерах уступов более 5 см следует предусматривать возможность выравнивания здания поддомкрачиванием. Для этой цели под цокольным поясом бескаркасных зданий следует выполнять ниши для установки домкратов, а под ними и по подошве фундаментов устраивать железобетонные пояса для распределения сосредоточенных нагрузок от домкратов и восприятия усилий от горизонтальных деформаций грунта. В каркасных зданиях для возможности выравнивания колонн должны предусматриваться упоры на колоннах и площадки на фундаментах для установки домкратов, а на анкерах наносится дополнительная резьба на величину возможного подъема колонн.

Для уменьшения деформаций земной поверхности могут применяться, по согласованию с горно-добывающими предприятиями, горно-технические защитные мероприятия зданий (закладка выработанного пространства породой, применение специальных способов отработки пластов.

Проектирование и расчет свайных фундаментов на подрабатываемых территориях.

А. СПЕЦИФИКА РАБОТЫ СВАЙ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Наиболее важными деформационными воздействиями на сваи являются горизонтальные перемещения грунта, определяемые по формуле (12.2). Возникающие опорные реакции в голове свай в виде горизонтальных сил и изгибающих моментов передаются на ростверк, который помимо распределения вертикальных нагрузок на сваи дополнительно работает в горизонтальной плоскости как фундаментный железобетонный пояс. Для снижения дополнительных усилий в ростверке от воздействия горизонтальных перемещений необходимо уменьшать расчетные перемещения грунта путем разрезки зданий на отсеки, применять податливые схемы сопряжения голов свай с ростверком — шарнирные и через шов скольжения, а также свайные фундаменты с высоким ростверком, использовать сваи с малой нагибной жесткостью [5].

В зависимости от схемы сопротивления головы сваи с низким ростверком допускаются следующие перемещения свай: при жесткой заделке — до 2 см; при условно-шарнирном сопряжении — до 5 см; при шве скольжения — до 8 см.

Для свайных фундаментов с высоким ростверком в результате прогиба свободной части сваи предельные перемещения при жесткой заделке и при условно-шарнирном сопряжении (при соответствующем обосновании) могут быть увеличены.

Помимо горизонтальных деформаций на свайные фундаменты воздействуют наклоны земной поверхности от горных выработок, вызывающие крен здания, а также возникновение опрокидывающего момента и горизонтальных составляющих нагрузок, приложенных к голове свай, и как следствие их изгиб и перераспределение вертикальных нагрузок на сваи. Искривление основания вызывает под жесткими зданиями перераспределение вертикальных нагрузок: выпуклости сваи, расположенные на краях отсеков, разгружаются, а в средней части дополнительно догружаются (на вогнутости — наоборот).

При расположении высоких ростверков в бетонных полах или в других жестких конструкциях, устраиваемых на поверхности грунта, по всему периметру свай следует предусматривать зазор высотой не менее 5 см, который необходимо заполнять пластичными материалами. За счет этого отсутствует жесткая опора свай при воздействии горизонтальных перемещений грунта.

Б. РАСЧЕТ СВАИ С ШАРНИРНОЙ И ЖЕСТКОЙ ЗАДЕЛКОЙ ГОЛОВ В ВЫСОКИЙ И НИЗКИЙ РОСТВЕРКИ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И НАГРУЗКИ

Расчет рассматриваемых свай на горизонтальные перемещения и нагрузки осуществляется при следующих допущениях:

• 
  а) основание принимается упругим, характеризуемым горизонтальным (боковым) модулем деформации, который увеличивается по глубине с нулевой ординатой на поверхности грунта или под подошвой низкого ростверка;
  
• 
  б) рассчитываются сваи гибкие и средней жесткости, не изменяющейся по глубине;
  
• 
  в) свободная высота сваи Н может быть как произвольной длины, так и равной нулю (низкий ростверк);
  
• 
  г) в результате взаимодействия упругой оси сваи с упругой грунтовой средой под воздействием горизонтальных перемещений в заглубленной части сваи возникают два участка — верхний длиной b и нижний длиной с (рис. 12.5 и 12.6), в пределах которых боковое давление грунта на сваю имеет противоположные направления;
  

Рис. 12.5. Взаимодействие упругой оси сваи, имеющей шарнирное сопряжение с ростверком, и грунта при действии горизонтальной нагрузки или перемещении

а — деформация оси сваи 1 и эпюра обжатия грунта 2; б — эпюра нагрузок на спаю; в, г — эпюры поперечных сил и изгибающих моментов в свае



Рис. 12.6. Взаимодействие упругой оси сваи с жесткой заделкой головы в ростверк с грунтом при действии горизонтальной нагрузки или перемещении (см. экспликацию к рис. 12.5)

• 
  д) максимальная ордината эпюры бокового давления p₁, располагаемая посередине участка b, принимается пропорциональной величине обжатия грунта сваей в точке Е;
  
• 
  е) за расчетную принимается длина сваи, равная Н + b + с;
  
• 
  ж) глубина погружения сваи l в грунт должна удовлетворять неравенству
  

l/(b + c) ≥ 1.

(12.26)

 

Для практических целей приводимую ниже методику допускается применять при l ≥ 0,9(b + с).

Ординаты поперечных сил и изгибающих моментов для характерных сечений сваи при шарнирной или жесткой заделке голов в высокий или низкий ростверк под воздействием горизонтальных перемещений грунта, равных Δl, определяются по формулам:

;

(12.27)

 

,

(12.28)

 

где

;

(12.29)

 

здесъ θ — коэффициент обжатия грунта посередине участка b; ω — коэффициент, принимаемый в зависимости от коэффициента n (отношения глубины погружения сваи к ее размеру поперечного сечения d в направлении перпендикулярном расчетному направлению действие перемещения или горизонтальной нагрузки):

n	10	20	30	40	50
ω	2,25	2,64	2,68	3,07	3,22

 

v — коэффициент Пуассона; Е_h — модуль горизонтальной деформации грунта:

E_h = γ_cE₀,

(12.30)

 

γ_c — коэффициент условий работы, учитывающий анизотропность грунта; принимается равным для пылевато-глинистых грунтов 0,5, а для песка 0,65 (значение коэффициента γ_с допускается уточнять в зависимости от способа погружения свай, явлений засасывания, длительного действия нагрузки и т.п.); E₀ — модуль деформации грунта, определяемый на уровне середины участка b [для грунтов с модулем E₀ < 5 МПа на глубине (6÷7)d, для грунтов с Е₀ > 15 МПа на глубине (4÷5)d от поверхности грунта для свайных фундаментов с высоким ростверком или от подошвы ростверка для фундаментов с низким ростверком];

,

(12.31)

 

здесь EI — жесткость сваи; β — коэффициент, определяемый по рис. 12.7 или 12.8.

Для построения эпюр поперечных сил и изгибающих моментов в свае по рис. 12.7 и 12.8 следует определить коэффициенты: для поперечной силы — q_l (q_A = q_D; q_с = 0; q_G =  = 0,5q_B), а по формуле (12.32) — положение сечения в заглубленной части сваи с нулевым значением поперечной силы и максимальным значением сваи изгибающего момента; для изгибающего момента — m₁(m_c = 0; m_G = 0,2m_B; при шарнирном сопряжении m_A = 0) и расстояние l₀ до точки с максимальной ординатой изгибающего момента в свае:

,

(12.32)

 

где  — коэффициент, определяемый по рис 12.7 или 12.8.

Длину участка с и максимальную ординату эпюры бокового давления грунта p₂, находящуюся посередине нижнего участка с, определяют по формулам:

c = αb;

(12.33)

 

p₂ = αp₁,

(12.34)

 

где α — коэффициент, определяемый по рис. 12.7



Рис. 12.7. Зависимость коэффициентов α, θ, q, m, x, (левая шкала) и β (правая шкала) от коэффициента α при шарнирном сопряжении голов свай с ростверком



Рис. 12.8. Зависимость коэффициентов α, θ, q, m, x, (левая шкала) и β (правая шкала) от коэффициента α при жесткой заделке головы свай в ростверк

Для определения только максимальных значений поперечной силы и изгибающего момента в свае достаточно выбрать по рис. 12.7 или 12.8 максимальные значения коэффициентов q_i и m_i, и по формулам (12.27) и (12.28) вычислить Q_max и М_max.

По рис. 12.7 и 12.8 можно построить прогиб упругой оси сваи.

Максимальный прогиб в уровне головы сваи определяют по формуле

,

(12.35)

 

где х — коэффициент, определяемый по рис. 12.7 или 12.8,

а в характерных точках D, Е и G — по формуле

y_i = θ_iΔl,

(12.36)

 

Для характеристики шарнирного сопряжения сваи с ростверком кривые х и θ_G на рис. 12.7 увеличены соответственно в 5 и 10 раз.

Усилия в сваях, располагаемых в свайном поле и имеющих различные перемещения Δl, целесообразно определять через усилия Q₁ и M₁, получаемые при единичном перемещении Δl₁ = 1 см, а затем вычислять искомые Q и м при заданных перемещениях Δl по формулам:

Q = |Δl|Q₁; M = |Δl|M₁,

(12.37)

 

где |Δl| — безразмерная величина заданного перемещения сваи.

Если по заданным горизонтальным нагрузкам, например от наклона земной поверхности и ветровой нагрузки (опорным реакциям свай T = Q_A), требуется определить максимальные усилия в свае или построить эпюры давления грунта, Q, M и прогиба сваи, расчеты следует вести по значению опорной реакции Q_A1, полученной при единичном перемещении l₁ = 1 см. В этом случае искомые параметры находят по формулам:

; ; и т.д.,

(12.38)

 

где M_i1 и Q_i1 — усилия в i-x сечениях при единичном перемещении.

В свайных фундаментах с высоким ростверком, когда коэффициент q_B > 0,5, максимальное значение поперечной силы следует определять для заглубленной части сваи (точка В на рис. 12.5 и 12.6) по формуле

Q_B = Tq_B/q_A,

(12.39)

 

где q_A — коэффициент для сечения А на уровне головы сваи.

Дополнительный изгибающий момент от внецентренного действия вертикальной нагрузки на изогнутую ось сваи (см. рис. 12.5 и 12.6) приближенно вычисляют по следующим зависимостям:

для свай с шарнирным сопряжением с ростверком (в заглубленной части сваи)

M' = N(1 – θ_E)Δl;

(12.40)

 

для свай с жесткой заделкой голов в ростверк (на уровне заделки)

M' = N(1 – θ_E)(Δl/2),

(12.41)

 

где N — нормативная вертикальная нагрузка на сваю.

Приведенные (расчетные) максимальные усилия в свае от воздействия горизонтальных перемещений, наклона и ветровой нагрузки, а также от внецентренного действия вертикальной нагрузки находят по выражениям:

Q_c = 0,8(Q_h + 0,7Q_b);

(12.42)

 

M_c = 0,8(M_h + 0,7M_b + M'),

(12.43)

 

где Q_h, М_h — максимальные значения поперечной силы и изгибающего момента в свае от воздействия горизонтальных перемещений грунта; Q_b, М_b — то же, от наклона земной поверхности и ветровой нагрузки; 0,8 и 0,7 — коэффициенты, учитывающие сочетания нагрузок.

При расчете ростверка следует учитывать дополнительные нагрузки, возникающие в заделке свай (точка А на рис. 12,5 и 12.6); эти нагрузки определяются по формулам (12.42) и (12.43). Кроме того, необходимо учитывать усилия от свай, расположенных как под продольными стенами, так и под поперечными.

Пример 12.4. Рассчитать усилия в сваях сечением 30×30 см, погруженных в грунт на глубину l = 7 м, от перемещения грунта l = 2 см для четырех вариантов: с шарнирной и жесткой заделкой голов в ростверк; при низком ростверке (H = 0) и высоком (H = 2 м). Жесткость свай EI = 7,8 МПа·м⁴. Грунт — суглинок с модулем деформации E₀ = 13,7 МПа и v = 0,35. В соответствии с формулой (12.30) принимаем E_h = 0,5 · 13,7 = 6,85 МПа.

ТАБЛИЦА 12.5. К ПРИМЕРУ 12.4

Показатель	Значения показателей
	при шарнирном сопряжении		при жесткой заделке
	H = 0	H = 2 м	H = 0	H = 2 м
	0	0,39	0	0,35
β	50	26,5	138	59
α	0,62	0,76	0,45	0,59
θE	0,28	0,12	0,39	0,19
θD	1	0,4	1	0,64
qA	0,62	0,43	0,79	0,66
qB	–0,38	–0,57	–0,21	–0,34
mА	0	0	–0,5	–0,85
x0	0,43	0,56	0,28	0,39
l0, м	1,94	1,28	3,18	2,17
b, м	3,41	2,91	4,4	3,56
b + с, м	5,52	5,12	6,38	5,66
p1, кH/м	16,2	6,9	22,4	11
QA, кН	22,8	5,8	52	17,2
Qb, кН	14	7,6	13,8	9
МA, кН·м	0	0	–72,2	–39,2

 

Решение. Для свайных фундаментов с низким ростверком при  = H/l = 0 по рис. 12.7 и 12.8 соответственно для шарнирного сопряжения и жесткой заделки свай определяем коэффициенты β, α и др. (табл. 12.5).

Для свайных фундаментов с высоким ростверком при α = 2/7 = > 0,286 по рис. 12.8 и 12.9 для шарнирного сопряжения предварительно находим коэффициенты β = 28,5 и α = 0,73 и вычисляем по формуле (12.31) при ω = 2,38 и μ = 0,35 значения b = 2,99 м; с = αb = 2,18 м и b + c = 5,17 м; для жесткой заделки — соответственно β = 0,66 и α = 0,57; b = 3,66 м; с = 2,08 м; b + c = 5,74 м.

Определяем уточненные коэффициенты



(12.44)

 

и по ним на рис. 12.8 и 12.9 находим искомые значения коэффициентов β, α и др. Уточненные значения коэффициентов для шарнирного сопряжения  = 2/5,17 = 0,39 и для жесткой заделки  = 2/5,74 = 0,35; найденные по рис. 12.7 и 12.8 значения коэффициентов β, α и др., вычисленные длины b, b+c и l₀, давления p₁ и усилия сводим в соответствующие графы табл. 12.5.