Проектирование оснований и фундаментов по предельным состояниям
 Скачать 1.19 Mb.
|
Проектирование оснований и фундаментов по предельным состояниям1. Метод расчета конструкций по предельным состояниям Процесс развития и совершенствования прочностного расчета строительных конструкций характеризуется тремя основными этапами:
Сущность метода Переход к методу предельных состояний произошел вследствие стремления инженеров уменьшить необоснованный запас прочности сооружений. Основное его отличие от методов допускаемых напряжений и разрушающих усилий состоит в том, что вместо одного коэффициента запаса прочности, учитывающего большое разнообразие факторов, влияющих на прочность и жесткость конструкций, введена гибкая система коэффициентов. Конструкции, рассчитанные по методу предельных состояний, получаются несколько экономичнее. Две группы предельных состояний Предельными называются такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям. Различают две группы предельных состояний:
К первой группе предельных состояний относятся расчеты по прочности и устойчивости конструкций. Ко второй группе предельных состояний относятся деформационные расчеты, а также расчеты по образованию и раскрытию трещин в железобетонных конструкциях. Классификация нагрузок В зависимости от продолжительности действия нагрузок их делят на постоянные и временные. Постоянными нагрузками являются собственный вес конструкций, грунтов, а также воздействие предварительного напряжения в железобетонных конструкциях. Временными нагрузками являются эксплуатационные нагрузки. Они делятся на длительные, кратковременные и особые. К длительным нагрузкам относятся: вес оборудования, некоторые крановые и снеговые нагрузки, воздействие неравномерных осадок основания, воздействие усадки и ползучести и др. (СНиП 2.01.07–85 «Нагрузки и воздействия»). Кратковременные нагрузки включают в себя: вес людей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования, часть нагрузки на перекрытие жилых и общественных зданий, снеговые и ветровые нагрузки, температурные воздействия. К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия, просадки грунтов и др. Нормативные нагрузки устанавливаются по заранее заданной вероятности превышения средних значений (СНиП 2.01.07–85). Расчетные нагрузки при расчете по первой группе предельных состояний определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке  , который обычно больше единицы. Например: .Сочетание нагрузок На конструкцию, как правило, действуют несколько нагрузок, поэтому при расчете нужно учитывать наиболее вероятные их сочетания. Сочетания нагрузок делятся на два вида: основные и особые. Основные сочетания состоят из постоянных и временных нагрузок, а особые – из постоянных, временных и одной особой. В основном сочетании, если учитываются все постоянные и только одна временная нагрузка, то ее вводят в расчет без снижения. При действии двух и более временных нагрузок значения длительных нагрузок умножают на коэффициент сочетаний  , а кратковременных – на  . В особом сочетании нагрузок все временные длительные нагрузки умножаются на коэффициент сочетаний , а кратковременные на  .Таким образом, коэффициенты сочетаний учитывают вероятность одновременного действия максимальных значений длительных и кратковременных нагрузок. Нормативные и расчетные характеристики материалов Основными характеристиками прочности материалов являются нормативные сопротивления, которые представляют собой устанавливаемые нормами предельные значения напряжений, которые может воспринимать данный материал. Помимо нормативных сопротивлений устанавливаются и другие нормативные характеристики материалов: плотность, модуль упругости, усадка бетона и др. Нормативные характеристики устанавливаются на основе статистической обработки результатов испытаний стандартных образцов. Обеспеченность нормативных значений принимается не менее 0,95. Это значит, что число случайных отклонений с пониженными значениями механических свойств при испытаниях не превышает 5%. Возможность случайного отклонения характеристики в неблагоприятную сторону от нормативного значения учитывают с помощью коэффициента надежности по материалу  или по грунту  . Расчетное сопротивление (характеристику) материала получают делением нормативного сопротивления (характеристики) на соответствующий коэффициент надежности: или  .Для металлов нормативные сопротивления устанавливаются по минимальным значениям предела текучести  (yield point – предел текучести) или временного сопротивления  (ultimate – предельный). Соответствующие расчетные сопротивления равны: и  .
Степень ответственности зданий и сооружений В СНиПе «Нагрузки и воздействия» установлены три класса ответственности зданий и сооружений: I, II, III. Каждому классу соответствует свой коэффициент надежности по назначению  , который может принимать значения: 1, 0,95 и 0,9. К первому классу ответственности, , относятся здания и сооружения, имеющие народно-хозяйственное или социальное значение: электростанции, телевизионные башни, кинотеатры, учебные заведения и др. Ко второму классу ответственности,  – здания и сооружения промышленно-гражданского строительства, не входящие в классы I и III. К третьему классу ответственности,  – разные склады без процессов сортировки и упаковки, одноэтажные жилые дома, временные здания и сооружения.На коэффициент надежности по назначению умножаются расчетные нагрузки или делятся расчетные сопротивления. Коэффициент условий работы конструкции Учет факторов, не отраженных в расчетных формулах (условия эксплуатации сооружений, агрессивность среды, способы изготовления конструкций и др.), производится с помощью коэффициента условий работы конструкций  , на который умножается расчетное сопротивление материала. Неблагоприятные факторы в работе конструкций учитываются  , а благоприятные –  .Условие прочности, например, при растяжении записывается в виде:  .2. Основные типы сооружений по жесткости и характер их деформацийВсе сооружения можно разбить на три типа:
Абсолютно гибкие сооружения беспрепятственно следуют за перемещениями основания во всех точках контакта с ним. При неравномерных осадках в таких сооружениях не возникает дополнительных напряжений. Идеальным примером являются насыпи. К абсолютно гибким относят также группу сооружений, называемых практически гибкими: одноэтажные здания со статически определимой расчетной схемой, эстакады, галереи. Абсолютно жесткие сооружения не могут искривляться. При неравномерных осадках основания они получают крен без изгиба конструкций (дымовые трубы, башни, мачты и т.п.). Такие сооружения перераспределяют давление по подошве фундамента: увеличивают его в местах с меньшей податливостью основания и уменьшают в местах с большей податливостью. Перераспределение давления приводит к возникновению в сооружениях дополнительных усилий. К сооружениям конечной жесткости относится большинство зданий и многие инженерные сооружения. При неравномерных осадках они получают искривления, что ведет к возникновению дополнительных силовых факторов. Если их не учесть при расчете конструкций, то могут появиться трещины. Поэтому при проектировании сооружений нужно учитывать совместную работу грунтов основания и несущих конструкций сооружения (рамы, несущие стены и т.п.). 3. Формы деформаций и смещений сооруженийВ зависимости от характера неравномерных осадок и от жесткости сооружения возникают деформации и перемещения сооружений следующих видов: прогиб, выгиб, перекос, крен, скручивание, горизонтальные перемещения фундаментов.  Рис. 1. Формы деформаций сооружений: а – прогиб; б – перекос; в-прогиб; г – выгиб д – крен; е – кручение; ж – горизонтальное перемещение Прогиб и выгиб связаны с искривлением сооружения. Такие деформации могут возникнуть в зданиях и сооружениях, не обладающих большой жесткостью. Перекос возникает в конструкциях, когда неравномерность осадок проявляется на участке небольшой протяженности при сохранении относительно равномерных осадок под всем сооружением. Креном сооружения называется поворот вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента. Он возникает при несимметричной загрузке основания или несимметричном напластовании грунтов. Наибольшую опасность представляет крен высоких сооружений (трубы, башни, мачты и т.п.). Скручивание возникает при неодинаковом крене по длине сооружения. При скручивании дополнительные усилия возникают не только в стенах, но и в перекрытиях, которые могут изгибаться в горизонтальном направлении. Горизонтальные перемещения фундаментов возможны, если опирающиеся на них конструкции передают значительные горизонтальные усилия. 4. Предельные состояния оснований и фундаментовОснования и фундаменты рассчитываются по двум группам предельных состояний: по несущей способности и по деформациям. К первой группе предельных состояний относятся следующие состояния.
СНиП требует производить расчет по первой группе предельных состояний в следующих случаях:
Ко второй группе предельных состояний относятся такие состояния оснований, при которых затруднена нормальная эксплуатация сооружений вследствие больших деформаций. Расчет по деформациям производится во всех случаях. При этом производится проверка следующих условий.
 , где  – осадка, определяемая расчетом;  предельная осадка фундамента, установленная СНиП [5].
 ,где  – средняя осадка фундамента;  – абсолютные осадки отдельных фундаментов;  – соответствующие площади подошв фундаментов;  – предельная средняя осадка, установленная СНиП [5].
Креном называется разность осадок двух крайних точек жесткого фундамента или сооружения, отнесенная к расстоянию между ними.
Крены жестких фундаментов на основании с согласным залеганием грунтов от действия внецентренной нагрузки, приложенной в пределах ядра сечения определяют по формуле:  ,где:  – модуль деформации и коэффициент Пуассона (при слоистых основаниях их принимают средними в пределах сжимаемой толщи);  – коэффициент, принимаемый по таблице СНиП [5];  – вертикальная составляющая равнодействующих всех нагрузок, передаваемых на основание, при расчете по второй группе предельных состояний;  – эксцентриситет;  – сторона прямоугольного или диаметр круглого фундамента в направлении эксцентриситета;  – коэффициент, учитываемый при расчете осадок методом линейно деформируемого слоя, при  принимаемый по СНиП [5]: Средние значения модуля деформации  и коэффициента Пуассона  грунтов основания в пределах сжимаемой толщи  определяются по формулам: ,где  – число слоев, отличающихся значениями  и  ;  – среднее напряжение в слое;  – толщина  – го слоя. Рис. 2. Крены фундаментов: а) крен жесткого фундамента; б) крен жесткого сооружения Определение крена жесткого сооружения, опирающегося на плиту или систему фундаментов (рис. Error: Reference source not found-б), производят по формуле:  .где  – предельный крен, установленный СНиП [5].Основным расчетом является проверка условия. 5. Причины возникновения неравномерных осадок На возникновение неравномерных осадок оказывает влияние ряд причин. Суммарную осадку любого здания или сооружения можно представить в виде суммы из пяти слагаемых:  ,где  – осадка, происходящая в результате уплотнения грунтов вследствие уменьшения пористости грунта;  – осадка, образующаяся вследствие разуплотнения верхних слоев грунта вследствие его разработки;  – осадка выпирания, происходящая в результате выдавливания грунта из-под подошвы фундамента;  – осадка расструктуривания, возникающая вследствие увеличения сжимаемости при нарушении природной структуры грунтов во время производства работ;  – осадка, возникающая в период эксплуатации зданий и сооружений в результате просадки, набухания или увеличения нагрузки на основание.Неравномерные осадки уплотнения, как правило, бывают обусловлены двумя причинами: неоднородностью грунтовых условий; неоднородностью напряженного состояния в основании. Грунтовые условия считаются однородными, если основание состоит из однородных пластов грунта с согласным залеганием (пласты параллельны, постоянной толщины). Неоднородность грунтовых условий определяется следующими факторами:
 Рис. 3. Причины образования неравномерных осадок уплотнения: а – выклинивающийся слой; б – линзы; в-разная толщина слоя; г – разная загрузка фундаментов Неоднородность напряженного состояния грунтов в основании образуется в силу следующих причин:
Разуплотнение грунта происходит при открытии котлована, когда вследствие уменьшения нагрузки на грунт дно котлована поднимается. При этом большее разуплотнение происходит в центре котлована, чем по краям. Осадки, связанные с разуплотнением, могут оказаться существенными лишь для котлованов глубиной более 5 м. При меньшей глубине котлована, как показывает практика, они незначительны. При неравномерном давлении по подошве фундамента даже при небольшой нагрузке под его краями образуются зоны пластических деформаций. В результате развития этих зон под подошвой фундамента происходит осадка выпирания (хотя выпирания грунта еще не происходит). При дальнейшем росте нагрузки зоны пластических деформаций увеличиваются, и возникает опасность выпирания грунта из-под подошвы. При планировке территории, отрывке котлована и проведении других мероприятий, предшествующих возведению фундамента, грунты оснований подвергаются воздействию различных факторов, которые могут вызвать нарушение природной структуры грунтов. Нарушение структуры обычно происходит в результате следующих причин:
Неравномерную осадку, образующуюся в результате расструктуривания грунтов очень трудно прогнозировать с помощью расчетных методов. Поэтому при возведении фундаментов должна быть максимально сохранена структура грунтов основания. Их можно разделить на пять типов:
6. Выбор типа и глубины заложения фундаментовВыбор типа и глубины заложения фундаментов является одним из главных этапов их проектирования. Обычно чем выше располагается подошва фундамента, тем меньше стоимость работ по его устройству, поэтому стремятся принимать возможно меньшую глубину заложения подошвы фундамента. Однако часто верхние слои грунта обладают большой сжимаемостью и малой несущей способностью. При назначении глубины заложения подошвы фундамента учитывают три основных фактора:
Обычно назначают несколько вариантов решения задачи и на основе технико-экономического сравнения окончательно выбирают тип и глубину заложения. Инженерно-геологические условия площадки строительства Все грунты делят на две условные категории: слабые и надежные. Слабыми называют грунты, которые дают под нагрузкой большие деформации, неустойчивы и не могут служить основаниями сооружений:
К надежным грунтам относятся:
Все многообразие напластований грунтов можно представить в виде трех схем.  Рис. 4. Схемы напластования грунтов: 1 – надежный грунт; 2 – слабый грунт Схема I С поверхности на большую глубину залегают надежные грунты. Толща их может состоять из нескольких слоев. Строительные качества грунтов всех слоев не ниже качества грунтов верхнего слоя  Рис. 5. Варианты устройства фундаментов при напластовании грунтов по схеме: 1 – надежный грунт; 2 – более плотный грунт В этом случае принимают минимальную глубину заложения подошвы фундамента с учетом климатических воздействий и особенностей сооружения. Иногда при больших нагрузках на фундамент за несущий принимают слой грунта, залегающий на большей глубине, если это решение экономично. С поверхности залегает один или несколько пластов слабых грунтов. В этом случае возможны несколько решений:
 Рис. 6. Варианты устройства фундаментов при напластовании грунтов по схеме II На некоторой глубине залегает один или несколько слоев слабого грунта.  Рис. 7. Варианты устройства фундаментов при напластовании грунтов по схеме III: 1 – надежный грунт; 2 – слабый грунт; 3 – зона закрепления В этом случае приемлемы решения, рассмотренные для схемы II, только приходится прорезать и верхний слой надежного грунта. Кроме того, верхний слой можно использовать в качестве распределительной подушки или закреплять слой слабого грунта. Климатические факторы Под влиянием ежегодного промерзания и оттаивания, высыхания и увлажнения некоторые грунты могут менять свой объем. Грунты, увеличивающие объем при промерзании, называются пучиноопасными. К ним относятся все пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Непучиноопасными являются пески средней крупности, крупные и гравелистые, гравий, галька и скальные породы. При строительстве на пучиноопасных грунтах глубину заложения подошвы фундамента нужно принимать больше глубины промерзания. Нормативная глубина промерзания определяется по формуле:  где:  – величина, принимаемая равной для суглинков и глин  ; для супесей, мелких и пылеватых песков –  ; для песков гравелистых, крупных и средней крупности –  ; для крупнообломочных грунтов –  ;  – безразмерная величина, равная сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур в данном районе, принимаемая по СНиП [7], а при отсутствии в них данных по району строительства – по результатам наблюдений.Расчетная глубина промерзания определяется по формуле:  ,где  – коэффициент влияния теплового режима здания на промерзания грунта у наружных стен, принимаемый по таблице СНиП [5].Однако для развития сил пучения бывает недостаточно влаги, которая содержится в грунте. Из нижележащих водонасыщенных слоев по капиллярам поступает к верхним слоям дополнительная влага, которая и вызывает силы пучения. Если водоносный горизонт расположен более чем на 2 м ниже глубины промерзания, то влаги может оказаться недостаточно для возникновения сил пучения, и некоторые виды пучиноопасных грунтов могут оказаться непучиноопасными. Поэтому глубина заложения подошвы фундамента в зависимости от глубины промерзания определяется по таблице СНиП [5], которая приведена в конспекте. Глубину заложения внутренних фундаментов отапливаемых зданий принимают без учета промерзания, но не менее 0,5 м. При этом предусматривают меры, исключающие промерзание основания в период возведения здания до его отопления. Таблица 1. Глубина заложения фундаментов в зависимости от расчетной глубины промерзания
Особенности сооружений К особенностям сооружений, влияющих на выбор глубины заложения подошвы фундамента, относятся:
Во всех случаях стремятся сохранять природную структуру грунтов основания. В соответствии с требованием СНиП [5] фундаменты сооружения должны, как правило, закладываться на одном уровне. При необходимости заложения соседних фундаментов на разных отметках их допустимая разность определяется исходя из условия:  , где:  – расстояние между фундаментами в свету;  – расчетные значения соответственно угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта;  – среднее давление под подошвой выше расположенного фундамента от расчетных нагрузок (для расчета основания по несущей способности).Минимальная глубина заложения подошвы фундамента по конструктивным требованиям принимается не менее 0,5 м от спланированной поверхности территории. В зданиях с подвалом, около приямков и каналов фундаменты закладываются на 0,2–0,5 м ниже отметки пола в этих помещениях. Подошва фундамента должна быть заложена ниже ввода коммуникаций (труб водопровода, канализации и отопления, каналов с транспортерами и пр. оборудованием). При этом условии трубы не испытывают дополнительного давления от фундамента.  Рис. 8. Расположение соседних фундаментов на разных отметках Для сборных фундаментов глубина заложения дополнительно определяется конструкцией и размещением по высоте фундаментных блоков. Минимальное расстояние от уровня планировки до верхнего обреза фундамента должна быть не менее 150 мм.  Рис. 9. Выбор глубины заложения фундамента в зависимости от уровня пола приямка: 1 – трубопровод; 2 – фундаментная плита; 3 – пол приямка Литература 1. Б.И. Далматов. Механика грунтов, основания и фундаменты. Л.: Стройиздат 1988 2. Н.А. Цытович. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. 3. Справочник «Основания и фундаменты» под ред. Г.И. Швецова. М.: Высшая школа, 1991. 4. ГОСТ 25100–82. Грунты. Классификация. М., 1989. 5. СНиП 2.02.01–83. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1989. 6. СНиП 2.02.03–85. Свайные фундаменты. М.: Стройиздат, 1986. 7. СНиП 2.01.01–85. Строительная климатология и геофизика. М., 1986. 8. СНиП 2.02.05–87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками. М.: Госстрой СССР, 1980. 9. В.А. Веселов. Проектирование оснований и фундаментов. М.: Стройиздат, 1990. 10. Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании по колонны зданий и сооружений (к СНиП 2.03.01–84 и СНиП 2.02.01–83). М.: Стройиздат, 1986 г. | ||||||||
, удельное сцепление 
, модуль деформации 
их расчетных значений. При расчете по первой группе предельных состояний доверительная вероятность принимается равной 
, а при расчете по второй группе – 
.
.
Грунты
Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности