книги из ГПНТБ / Березанцев В.Г. Расчет прочности оснований сооружений
.pdf
Научный редактор — инженер А. Д. КОНДИН
•'ОС. |
ПУБЛИЧНАЯ |
■ |
1 |
’■’г.Й-ТНХНИЧЕСКАЯ |
| г |
I |
|
БиЬД* |
ОТЕКА СССР |
||
Книга посвящена изложению практических ме тодов расчета прочности естественных оснований, разработанных на базе теории предельного рав новесия грунтов и результатов эксперименталь ных исследований. Рассмотрены существующие методы расчета и дана критическая оценка их; кратко приведены основы теории предельного равновесия в объеме, необходимом для построе ния инженерных методов расчета. Расчеты пояс нены примерами. Произведено также сравнение результатов, полученных различными методами, и сделаны сопоставления теоретических и экспе риментальных данных.
Книга |
рассчитана на инженеров-специалистов |
в области |
строительства фундаментов различных |
сооружений.
ПРЕДИСЛОВИЕ
При проектировании сооружений различного назначения'' очень важно правильно определить запас прочности основания. Для применения экономичных конструкций фундаментов и вне дрения индустриальных методов их возведения необходимо в наибольшей степени использовать несущую способность есте ственных оснований. Это условие может быть выполнено только
с помощью усовершенствования методов расчета прочности, по зволяющих повысить точность определения предельного сопро тивления основания и, следовательно, обосновать уменьшение коэффициентов запаса.
Применяемые в настоящее время проектировщиками методы расчета прочности (устойчивости) оснований в. большинстве случаев дают преуменьшенные результаты вследствие несовер шенства исходных положений. Наиболее точные методы расче та, опирающиеся на решения теории предельного равновесия сыпучей среды, не получили еще должного распространения н проектной практике ввиду отсутствия достаточно развитых при
ближенных способов. Достигнуть же большей точности в опре делении предельного сопротивления оснований (по условию прочности) можно именно путем применения методов, базирую
щихся на теории предельного равновесия. Эти методы, в отли чие от других, устраняют необходимость произвольно задаваться очертанием поверхностей скольжения, позволяют в строгом со ответствии с основными исходными физическими положениями определить предельное напряженное состояние основания и
очертание поверхностей скольжения.
Настоящая работа посвящена изложению практических ме
тодов расчета по определению предельных (по условию проч ности) нагрузок на естественное основание, разработанных на базе теории |Пределыно1Го равновесия и результатов эксперимен тальных исследований.
В первой главе рассмотрены исходные положения для уста новления предельных состояний основания и оценки его проч
ности.
Вторая глава посвящена разбору существующих способов расчета прочности оснований, в том числе и способов, базирую щихся на теории предельного равновесия. Сущность теоретиче
5
ских основ изложена кратко в объеме, необходимом для г
строения инженерных методов расчета.
В третьей главе рассмотрены результаты исследований, г зволивших выяснить влияние плотности грунта и величины г углубления фундамента на характер достижения предельного <
-стояния.
В четвертой и пятой главах изложены практические мето,
расчета прочности оснований под фундаментами, имеющи:
различную глубину заложения, в случаях, когда оказывает ^возможным выпирание грунта на поверхность.
Шестая глава излагает практические методы расчета ось тзаний в тех случаях, когда предельное состояние достигается результате взаимодействия областей сдвигов и областей упл< нения.
В последней, седьмой, главе приведены сравнительные рг четы по рекомендуемым и некоторым применяемым в насте щее время методам, а также даны сопоставления теоретическ
и экспериментальных результатов.
Наличие вспомогательных таблиц и графиков, сводящих рг четы по рекомендуемым методам к весьма малому объему пр
стых вычислений, поясненных примерами, делает эти мето;
удобными для инженеров-проектировщиков.
Целью данной работы является внедрение в проектную пра
тику наиболее точных способов расчета прочности основан/, необходимых для развития методики расчета сооружений предельным состояниям и способствующих удешевлению стро тельства.
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОСНОВАНИИ
§ 1. Предельные состояния основания по условию прочности и по условию деформируемости
В настоящее время расчет естественных оснований ведется по двум предельным состояниям. Первое устанавливается по
условию прочности (устойчивости) и характеризуется возник новением в основании поверхностей скольжения, по которым может произойти сдвиг фундамента вместе с частью основания.
Второе определяется по условию достижения предельных де формаций основания, превышение которых вызывает поврежде ния надфундаментных конструкций.
Многочисленные полевые и лабораторные исследования де формаций естественных оснований при постепенно возрастаю щей статической нагрузке, произведенные за последние 20— 30 лет в нашей стране и за границей, показали, что зависимость осадки фундамента от давления, передаваемого на основание, характеризуется графиками, изображенными на рис. 1 и 2. Эти графики представляют собою кривые, состоящие из двух участ
ков: первый участок имеет пологое, второй — крутое очертание. В представленном виде графики характерны для незаглубленных фундаментов. Исследования автора [49] показали, что гра фик на рис. 1 характерен для песчаных, а график на рис. 2 — для глинистых грунтов.
Известно, что анализ вида графика, характерного для неза-
глубленного фундамента на песчаном основании (рис. 1), по зволил Н. М. Герсеванову [3] установить три фазы деформаций основания, названные им: первая—'фаза уплотнения, вторая — фаза сдвигов, третья — фаза выпирания. Второе критическое давление (акра на рис. 1), при котором наступает третья фаза
(фаза выпирания), обычно принимается за предельное давле ние, определенное по условию прочности основания. Возмож ность замены первого участка кривых приближенно отрезком
прямой (до давления ак 1, названного первым критическим или пределом пропорциональности) позволило использовать прин
&
цип линейной деформируемости в пределах первой фазы де формаций, применяемый для расчета оснований по деформа циям. Эти известные положения были распространены также на глинистые основания, хотя установление положения хараи терных точек, соответствующих критическим давлениям, в дай ном случае (рис. 2), часто является трудной задачей.
В глинистых грунтах практически неприменимо указанно выше условие определения предельного (по прочности) давле ния, поскольку даже при незаглубленных фундаментах и пр;
.больших осадках часто отсутствует выпирание грунта. Исследования прочности песчаных оснований [54] показал*
«то и на песчаных основаниях при относительном заглублени фундамента более 1,5—2 выпирание грунта на поверхность так
же не наблюдается даже при значительных осадках (относи тельным заглублением называется отношение глубины заложе ния фундамента h к его ширине Ь). График зависимости осади от давления для фундаментов с относительным заглубление)
более 1,5—2 отличается от графика для незаглубленных фун даментов. На рис. 3 показан график для заглубленного' фун
дамента на песчаном основании, (см. рис. .3 и рис. 1).
Характерной особенностью графика, изображенного н рис. 3, является менее крутое падение кривой на втором участ
ке: значительное возрастание интенсивности осадки здесь пре
исходит в большом интервале давлений, что соответствует от сутствию общего выпирания грунта на поверхность.
Отмеченные изменения вида зависимости осадки фундамен та от давления приводят к следующему выводу: выпирали грунта на поверхность характеризует предельное состояние ок; новация по условию прочности только в случае, когда послед нее сложено плотными песками и фундамент не заглублен
«6
грунт или имеет сравнительно малое заглубление. Это положе ние не отрицает возможности выпирания грунта на поверхность в других случаях. Опыт показывает, что выпирание на поверх
ность может быть достигнуто и в связных грунтах и в песках ■при фундаментах, имеющих относительное заглубление более 2.
Однако с практической точки зрения в этих случаях выпирание не может служить признаком предельного состояния потому,
что до момента выпирания происходит значительное накопле ние осадок основания; осадка достигает 0,25 и даже 0,5 ширины подошвы фундамента. Такая осадка намного превышает пре дельную для большинства сооружений. Поэтому если принять для всех случаев в качестве единственного критерия наступле ния предельного состояния основания (по условию прочности)
выпирание грунта, то для большинства фундаментов на ■связных грунтах и для доста точно заглубленных фунда ментов на песчаных основа ниях расчет придется вести
только по деформациям. В на стоящее время расчет по де формациям возможно выпол нять лишь в пределах неболь шого диапазона давлений
(первый участок графика осадки), в фазе уплотнения с помощью зависимостей линей- но-формируемой среды. Еще
нет теоретических решений, позволяЩщих произвести рас
чет осадки основания при развитых областях, сдвигов с до статочной для практики точностью; существуют лишь отдельные приближенные приемы. Таким образом, при современном уровне развития теории для практических целей необходимо чаще об ращаться к (расчетам оснований по условию прочности. При этом в различных случаях требуется дифференцированный под ход к установлению критерия наступления предельного состоя ния по прочности.
Рассмотрим основные условия для определения предельного
(по прочности) давления на основания в различных грунтах и при разных величинах заглубления фундаментов.
Исходные положения для выбора критерия наступления пре дельного состояния по условию прочности заключаются в клас
сической характеристике фаз деформаций |
основания, |
данной |
Н. М. Герсевановым [3]. |
уплотнение |
грунта; |
В первой фазе деформаций преобладает |
происходящие в этой фазе сдвиги не вызывают нарушения при ближенной линейной зависимости между осадкой и давлением,
7
а также не приводят к использованию внутреннего сопротивле ния грунта сдвигу.
Во второй фазе появляются сначала отдельные площадки, а затем и области, в которых сопротивление грунта сдвигу ока зывается использованным. В ходе развития этих областей (на зываемых областями сдвигов) образуются поверхности сколь жения. При выходе поверхности скольжения на поверхность грунта наступает третья фаза деформаций и происходит общий сдвиг в основании, сопровождаемый выпиранием грунта.
Проследим процесс смены фаз в различных случаях. Песчаные основания. Рассматриваем пески средней
плотности и плотные, поскольку рыхлые пески без доведения их плотности искусственным путем до средних показателей не используются в качестве естественного основания.
Опыты показали (см. главу III), что при фундаментах, опи рающихся на поверхность грунта (незаглубиенные фундамен ты), фаза уплотнения, характеризуемая траекториями движения частиц песка, направленными в основном вниз, завершается
при малых осадках.
Далее, с наступлением второй фазы, т. е. с постепенным раз витием областей сдвигов и нарушением линейной зависимости
между осадкой и давлением, траектории движения, частиц грун та все больше и больше отклоняются в стороны. В процессе развития областей сдвига также постепенно формируются по верхности скольжения. Дальнейший поворот траекторий вверх
знаменует наступление третьей фазы (сдвиг грунта в основа нии по сформировавшимся поверхностям скольжения с выпира
нием на поверхность). Соотношение между осадкой фундамента и давлением на основание в данном случае характеризуется графиком, приведенным на рис. 1. Подобная же картина’ смены фаз наблюдается и при фундаментах, имеющих глубину зало жения, определяемую относительным заглублением до 1,5—2,
с той только разницей, что, начиная с относительного заглубле ния «0,5, изменяется форма поверхностей скольжения.
Таким образом, для фундаментов на песчаных основаниях, имеющих относительное заглубление^—ь—от нуля до 1,5—2
предельное состояние по условию прочности характеризуется давлением, вызывающим сдвиг части грунта в основании по сформировавшимся поверхностям скольжения, выходящим на
поверхность: происходит выпирание грунта и резкая, значи тельная оСадка фундамента.
Для фундаментов, имеющих относительное заглубление-
(-у-) свыше 1,5—2, фаза уплотнения является более продол
жительной; она завершается при. больших давлениях и боль ших осадках, чем в рассмотренном выше случае незаглублен-
ных фундаментов. Наступление фазы сдвигов также характери
8
зуется поворотом траекторий движения частиц песка в стороны.
Однако при .повороте траекторий вверх выпирания не проис ходит, а (наблюдается лишь взаимодействие областей сдвигов
с окружающими эти области объемами грунта.
Таким образом, вторая фаза (фаза сдвигов) в данном слу чае весьма растянута; она продолжается и при повороте траек торий движения частиц вверх. Анализ графиков осадки опытных фундаментов одновременно показывает, что на участке графика, характеризующем вторую фазу деформаций, имеется промежу точная характерная точка, отвечающая давлению на
рис. 3), после которого интенсивность нарастания осадок зна
чительно увеличивается; при этом зависимость между осадкой и давлением становится вновь близкой к линейной в значитель ном диапазоне давлений.
Это ' давление соответствует некоторой определенной сте пени развития областей сдвигов, каковая и должна быть при нята за критерий наступления предельного состояния по усло вию прочности в рассматриваемом случае.
Итак, при фундаментах, имеющих относительное заглубле
ние более 1,5—2, предельное состояние по условию прочности характеризуется давлением, при котором развитие областей
сдвигов достигает определенной границы; достижение этой гра ницы влечет за собой значительное увеличение интенсивности нарастания осадок, хотя и не сопровождается выпиранием грун та на поверхность.
Следовательно, в песчаных основаниях необходимо разли чать два основных случая определения предельного (по усло вию прочности) состояния: либо предельное состояние насту пает при давлении, вызывающем выпирание грунта на поверхность, либо при давлении, соответствующем опре деленной степени развития областей ^двига,
при которой в результате взаимодействия областей основания,
находящихся в различных состояниях, значительно возрастает интенсивность осадки фундамента. Очевидно, что методика оп ределения предельных давлений в каждом из упомянутых двух
случаев будет различной.
В дальнейшем целесообразно называть фундаменты на пес
чаных основаниях, имеющие относительное заглубление в пре
делах 0 <-у < 1,5-т-2 фундаментами мелкого зало
жения, выделив в этой группе две подгруппы: незаглубленные фундаменты при -у- =0 и малозаглубленные фундаменты при
0 ь <0,5.
Фундаменты, имеющие относительное заглубление более 1,54-2, следует называть фундаментами глубокого за ложения.
Глинистые основания. Из всего многообразия гли нистых грунтов, слагающих естественные основания, ограни чимся рассмотрением только широко распространенных пла стичных глнн, суглинков и супесей, залегающих в верхнем слое земной коры, в которых отличие в наступлении предельного со стояния от песчаных грунтов проявляется в наибольшей степени.
Подобные глинистые грунты, преимущественно четвертич ного возраста, обладают значительной пористостью (45—50%)
и сжимаемостью (т. е. способностью к уплотнению), превышаю
щей сжимаемость песчаных грунтов средней плотности при мерно в 5—6 раз. Поэтому особенность деформирования пла стичных глинистых оснований заключается в том, что с наступ
лением второй фазы развитие областей сдвигов протекает при интенсивном уплотнении взаимодействующих между собою раз
личных зон грунта.
В результате .сильной сжимаемости основания осадка фун дамента достигает значительной величины еще при сравнитель но небольшом объеме областей сдвигов. По этой причине пре дельное состояние основания (по условию прочности) фунда ментов различной глубины заложения в данных грунтах должно характеризоваться некоторой определенной степенью развития областей сдвигов, при которой интенсивность нарастания оса док значительно возрастает. Необходимо отметить, что относи тельный объем областей сдвигов, соответствующий предельному состоянию, в пластичных глинистых грунтах меньше, чем в пес
чаных грунтах.
Следовательно, в глинистых основаниях в отличие от пес
чаных при любых соотношениях глубины заложения и ширины фундамента предельное состояние определяется давлением, со
ответствующим не выпиранию грунта на поверхность, а такому развитию областей сдвигов, при котором су щественно возрастает интенсивность осадки.
§ 2. Условия прочности грунтов
Исследования сопротивления грунтов нагрузкам различного вида показали, что разрушение массива грунта всегда проис ходит в форме сдвига некоторой его части по отношению к остальной. Сдвиг происходит по поверхностям, называемым
поверхностями скольжения. На рис. 4 показаны схе
мы разрушения грунтовых массивов в разных случаях: а) при подвижке подпорной стенки, б) при выпирании грунта в осно вании сооружения, в) при перемещении подпорной стенки, од новременно сопровождаемом выпиранием грунта в основании, г) при оползании откоса.
Ввиду того что при разрушении массива грунта обычно про исходит сдвиг' грунта значительного объема, который отде ляется поверхностью скольжения и движется как одно целое, для характеристики этого явления часто употребляют термин
40