1.5. Вторая группа предельных состояний. Виды деформации зданий. Причины развития неравномерных осадок оснований.

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния, затрудняющие нормальную

эксплуатацию сооружения или снижающие его долговечность вследствие недопустимых

перемещений (осадок, подъемов, прогибов, кренов, углов поворота, колебаний, трещин и

т.п.). Расчет по деформациям производится практически во всех случаях.

При этом производится проверка следующих условий.

1) Осадка отдельных фундаментов не превышает предельные значения

,

где – осадка, определяемая расчетом; - предельная осадка фундамента, установленная СНиП [5].

2) Средняя осадка группы фундаментов не превышает предельные значения

, где – средняя осадка фундамента; – абсолютные осадки отдельных фундаментов;

– соответствующие площади подошв фундаментов; – предельная средняя осадка, установленная СНиП [5].

3) Крен фундамента не превышает предельное значение.

Виды деформаций зданий и сооружений:

Осадкой называется медленная и сравнительно небольшая деформация, происходящая в результате уплотнения грунта под действием нагрузок и сопротивляющаяся коренным изменениям его структуры.

При равномерных осадках основания подошва фундамента в любой момент времени опускается на одинаковую величину. Такие осадки не вызывают перераспределения усилий в конструкциях, но затрудняют нормальную эксплуатацию.

При неравномерных осадках основания подошва фундамента опускается на разную величину, вызывая перераспределение усилий и деформаций в надземных частях зданий и сооружений. Такие осадки ухудшают эксплуатацию оборудования, изменяют условия устойчивости сооружений, вызывают перенапряжения в отдельных конструкциях и элементах.

В зависимости от характера развития неравномерных осадок и от жесткости здания или сооружения возникают следующие виды деформаций.

Прогиб и выгиб возникают в протяженных зданиях и сооружениях, не обладающих большей жесткостью.

В случае развития прогиба(а) наиболее опасная зона растяжения находится в нижней части здания или сооружения, выгибе (б), — наоборот, в верхней части сооружения.

Относительный прогиб или выгиб (ƒ/L) здания или сооружения оценивается отношением стрелы прогиба или выгиба к длине прогнувшейся части здания и кривизной изгибаемого участка (рис. 7.2) и определяется по формуле (по пособию к СНиП, 1986; СНиП 2.02.01—83):

где S1 и S3 — осадки в краях фундамента; S2 — наибольшая или наименьшая осадка фундамента; L — длина фундамента.

Крен (наклон) — поворот фундамента относительно горизонтальной оси, проявляющийся при несимметричной загрузке основания. Наибольшую опасность данный вид деформации представляет для высоких сооружений — дымовых труб, узких зданий повышенной этажности и др., т.е. характерен для жестких сооружений.

Крен рассматривается как разность абсолютных осадок двух точек фундаментов, отнесенных к расстоянию между ними (рис. 7.3), и определяется по формуле

где S1 и S2 — осадки крайних точек сплошного фундамента или двух фундаментов.

Перекос зданий и сооружений характерен при резком проявлении неравномерности осадок на участке небольшой протяженности при сохранении относительной вертикальности несущих конструкций (рис. 7.4).

Кручение возникает при неодинаковом крене здания или сооружения по длине, при этом происходит развитие крена в двух сечениях сооружения в разные стороны.

Горизонтальные перемещения фундаментов зданий или сооружений возникают при действии на основания горизонтальных. Например, устои мостов (рис.а), гидротехнические сооружения (рис. б), они возможны при развитии оползней и при выполнении подземных выработок.

Предельно возможные деформации сооружений регламентированы нормами на основании обобщения и статистического анализа практического опыта эксплуатации различных зданий и сооружений.

Средние осадки, допускаемые для промышленных и гражданских зданий и сооружений, колеблются в пределах от 10 до 20 см. Большая деформация допускается для зданий, имеющих большую жесткость. Для зданий и сооружений, имеющих значительную жесткость (дымовые трубы, силосные корпуса и др.), предельно допустимую осадку можно принимать в пределах 30…40 см. Помимо абсолютных вертикальных деформаций нормами ограничивается и крен зданий.

Причины развития неравномерных осадок оснований:

1. Неравномерные осадки уплотнения.

Как уже отмечалось ранее, остаточные деформации значительно больше упругих, поэтому осадки основания, происходящие под действием внешних нагрузок, обычно называют осадками уплотнния.

Рис. 3.2. Причины образования неравномерных осадок уплотнения:

1 — нагрузка на фундамент; 2 — осадка медленно деформирующегося основания; 3 — осадка быстро деформирующегося (песчаного) основания; 4 — эпюры распределения вертикальных напряжений; 5 — границы напряженных зон основания; 6 — осадка первого фундамента во времени; 7 — нагрузка на второй фундамент; 8 — осадка второго фундамента во времени

Осадки уплотнения в отдельных зонах основания под сооружением, как правило, неодинаковы (неравномерны) из-за неоднородности грунтовых условий и неоднородности напряженного состояния в основании.

2. Неравномерные осадки разуплотнения.

Они развиваются, когда нагрузки от веса здания или сооружения меньше веса грунта, извлеченного при разработке котлована. Это объясняется тем, что при удалении грунта при отрывке котлована происходит разуплотнение грунтов под его поверхностью в результате снятия действовавших ранее напряжений от собственного веса грунта (разбухание грунта при разгрузке). При глубоких котлованах оказывают влияние и остаточные пластические деформации от давления грунта, расположенного вокруг дна котлована. На развитии разуплотнения грунта сказывается воздействие и деформации упругого последействия.

Наличие этих факторов приводит к поднятию дна котлована (рис. 3.3) с последующим развитием неравномерных осадок, происходящих в результате более существенного разуплотнения грунта в центре котлована, чем по краям; различного протекания во времени процесса разуплотнения под отдельными фундаментами; неравномерного поднятия дна котлована в результате неоднородности грунтов основания.

3. Осадки выпирания.

В результате развития зон пластических деформаций в грунтах оснований под подошвами фундаментов происходят осадки выпирания. В результате неравномерного распределения давления под подошвой фундамента даже при небольших нагрузках под его краями образуются зоны пластических деформаций. Увеличение нагрузки вызывает перераспределение контактных давлений по подошве фундамента, которое объясняется большей податливостью грунта в зонах пластического деформирования, вследствие чего давление в этих зонах уменьшается, а в средней части фундамента ввиду меньшей податливости грунта увеличивается. При дальнейшем росте внешней нагрузки зоны пластических деформаций увеличиваются и возникает опасность выпирания грунта из-под подошвы.

4. Неравномерные осадки расструктуривания. При проведении предварительных мероприятий, предшествующих возведению фундаментов (отрывка котлованов и др.), грунты оснований, обнажаясь, подвергаются воздействию различных факторов, которые могут вызвать нарушение природной структуры грунтов.

Осадки, происходящие за счет расструктуривания грунтов, как правило, неравномерны, так как расструктуривание происходит с разной степенью интенсивности в различных зонах основания. Метеорологические воздействия вызывают нарушение природной структуры грунтов в результате промерзания или оттаивания, размягчения и набухания, высыхания и усадки.

Рис. 3.5. Нарушение структуры грунта при метеорологических воздействиях:

1 — атмосферная влага; 2 — зова размягчения в усадки;

5. Неравномерные осадки, образующиеся в период эксплуатации сооружений. Уплотнение грунтов оснований после начала эксплуатации сооружений, повышение уровня подземых вод, размыв грунта, вызванного прорывом напорных водопроводных магистралей. ослабление оснований подземными и котлованными выработками, динамические воздействия на грунты оснований, активность геологических процессов (развитие карстовых полостей).

Перечисленные выше факторы усложняют задачу проектирования фундаментов зданий и сооружений при условии выполнения требования равномерности осадок.