6. Предельные состояния основания и фундаментов сооружения

Первая группа предельных состояний – по несущей способности и общей устойчивости. Вторая группа – по деформациям.

Основной целью расчета по предельным состояниям является ограничение усилий (по первому предельному состоянию) или деформаций (по второй группе), чтобы эти предельные состояния не наступили, т.е. была бы обеспечена в дальнейшем возможность эксплуатации здания и сооружения.

Надежность конструкций оценивается по первому предельному состоянию из условия недопущения потери общей устойчивости основания:

F ≤ F_U,

F – усилие, передаваемое основанию,

F_U – несущая способность основания.

Если оценку несущей способности производить по вертикальной составляющей силы N, то условие следующее:

N ≤ N_U,

Несоблюдение этого условия не гарантирует, что может быть допущена дальнейшая эксплуатация здания или сооружения.

По первому предельному состоянию расчет необходимо проводить только в следующих случаях:

– если на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе сейсмические;

– сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;

– сооружение расположено на медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтах;

–основание сложено скальными грунтами;

– при анкерных фундаментах.

Считается, что в остальных случаях оценка оснований по второму предельному состоянию ограничит нагрузки и они будут существенно меньше, чем мы получили бы от условия использования условия первого предельного состояния.

Цель расчета по второй группе предельных состояний - исключить возможность возникновения недопустимых по условиям нормальной эксплуатации сооружения деформаций (осадок, кренов, сдвигов) оснований и фундаментов.

Основное условие для второго предельного состояния:

S ≤ S_U,

где S – совместная деформация основания и фундамента, определяемая расчетом; S_U –предельно допустимое значение деформации.

Внецентренно загруженный фундамент, в плоскости подошвы которого действует, кроме нормальной силы, момент, получает не только осадку, но и поворот относительно главной оси инерции подошвы. Поворот выражается креном i.

6. Виды деформаций основания. Основные типы зданий и сооружений, формы их деформаций

В современном строительстве применяют различные конструкции и способы устройства фундаментов, которые условно разделяют на две основные группы – мелкого и глубокого заложения.

В общем случае все сооружения можно разбить на:

– абсолютно гибкие, которые во всех точках следуют за перемещениями поверхности грунтов основания. Примером такого сооружения является земляная насыпь. Неравномерные осадки не вызывают особых осложнений при эксплуатации такого сооружения. Для получения проектных отметок насыпь отсыпается выше на величину ожидаемой осадки, т.е. ей придается строительный подъем;

– абсолютно жесткие сооружения не могут искривляться. При симметричном загружении и симметричной податливости основания их осадка будет равномерной, при неравномерной деформации основания они получат крен без изгиба конструкции (здания – панельные, блочные, кирпичные, в которых междуэтажные перекрытия опираются по всему контуру на поперечные и продольные стены или только на поперечные несущие стены при малом их шаге; сооружения – дымовые трубы, доменные печи, водонапорные башни на железобетонной плите, силосные корпуса и др.). Эти сооружения выравнивают осадки, т.е. работают совместно с основанием: в местах бóльшей податливости основания давление по подошве фундаментов уменьшается, а меньшей – увеличивается.

– сооружения конечной жесткости – бóльшая часть зданий и сооружений (резервуары, мосты неразрезной конструкции) – не могут следовать во всех точках за деформациями грунтов основания и искривляются вследствие развития неравномерных осадок. Такие сооружения часто выравнивают неравномерности осадки поверхности грунта основания. Это приводит к возникновению дополнительных усилий в несущих конструкциях сооружения, которые во многих случаях не учитываются при их проектировании. Поэтому в несущих конструкциях могут появиться трещины. Для предотвращения этого при проектировании фундаментов большое внимание уделяется совместной оценке работы грунтов основания и несущих конструкций сооружения (например, железобетонных рам и т.п.).

В некоторых случаях сооружения обладают незначительной жесткостью (невысокие одноэтажные здания с разрезными балками покрытия и др.), их можно считать практически гибкими.

Вертикальные деформации оснований можно разделить на следующие виды:

– осадки, деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и в отдельных случаях собственного веса грунта, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;

– просадки, деформации, происходящие в результате уплотнения грунта и, как правило, коренного изменения его структуры под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительно с ними действующих факторов, например, замачивания просадочного грунта, оттаивания ледовых прослоек в замершем грунте и т.п.;

– подъемы и усадки, деформации, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта);

– оседания, деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод, карстово–суффозионными процессами и т.п.;

– горизонтальные перемещения, деформации, , связанные сдействием горизонтальных нагрузок на основание или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунта от действия собственного веса и т.п.

Если учесть характер развития неравномерных деформаций основания, жесткость зданий и сооружений, то можно выделить следующие формы деформаций и смещений зданий и сооружений:

– крен (наклон) – поворот относительно горизонтальной оси – могут получить все сооружения, если основание загружено несимметрично или несимметрично напластование грунтов относительно вертикальной оси сооружения. Наибольшую опасность крен представляет для высоких сооружений (домовые трубы, узкие здания повышенной этажность и др.). В этом случае крен приводит к развитию дополнительного момента, который в свою очередь способствует увеличению крена, что может привести к потере устойчивости сооружения на опрокидывания.

Колонны и стены, не связанные жестко с остальными конструкциями, могут также получать крен из–за неравномерных осадок основания;

– прогиб и выгиб приводят к искривлению сооружения. Такие деформации могут возникать в длинных зданиях и сооружениях, не обладающих большой жесткостью. Иногда на одних участках возникает прогиб, в других – выгиб. При прогибе наиболее опасная зона растяжения находится в нижней части сооружения, при выгибе – в верхней;

– перекос возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадки развивается на коротком участке сооружения при сохранении относительно вертикального положения конструкций. Пример – перекос каркасного здания;

– кручение сооружения наблюдается при неодинаковом крене по длине сооружения и тем более, когда крен в двух сечениях сооружения развивается в разные стороны. При этом виде деформации дополнительные усилия развиваются не только в элементах стен, но и в конструкциях перекрытия, которые работают преимущественно в горизонтальном направлении на изгиб.

– горизонтальное смещение фундаментов возникают при передаче от конструкций значительных горизонтальных усилий (распорные конструкции). Такие перемещения могут наблюдаться также при горизонтальной подвижке массива грунтов в случае оползней откосов и подработке территории.