Фундаменты основных зданий и сооружений атомных и тепловых электрост
..pdfваются, устанавливаются дополнительные хомуты и стык за полняется бетоном.
Проектирование оснований и фундаментов производят в соответствии со СНиПом. В случае фундаментов мелкого заложения, являющихся основным типом фундаментов ко лонн главных корпусов АЭС и ТЭС, необходимые требова ния регламентированы СНиП 2.02.01—83 [26]. При этом при проектировании необходимо в определенной последова тельности [8, 12] выполнить ряд расчетов и определений^ Важнейшими из них являются выбор глубины заложения фундамента и определение размеров его подошвы из усло вий ограничения напряжений по подошве и деформаций фундамента.
Как известно, выбор глубины заложения подошвы фун даментов связан с учетом целого ряда факторов (инженер но-геологические и гидрогеологические условия, явления
П|роме)рзания — оттаивания |
грунтов, особенности возводи |
мого сооружения и др.) [8, |
12]. Принимая глубину заложе |
ния фундамента, тем самым определяют несущий слой ос нования под его подошвой, учитывая деформируемость и прочность грунтов, чувствительность надфундаментной кон струкции к деформациям и экономичность решения в целом. Поскольку глубина заложения, в свою очередь, непосред ственно влияет на плановые размеры фундамента, то реко мендуется в проектах рассматривать несколько вариантов решений с различной глубиной заложения, выбирая наиболее рациональный вариант фундамента на основе технико-эко номического сравнения. Учитывая, что фундаменты колонн главных корпусов АЭС и ТЭС передают на основания зна чительные нагрузки, глубину их заложения менее 2—2,5 м обычно не назначают. При этом во внимание следует при нимать конструктивное решение подземного хозяйства глав ного Kqpnyca (см. с. 7). При учебном проектировании со ответствующий вариант подвала (подземного хозяйства) принимается самостоятельно студентом.
Расчет фундаментов «колонн при предварительно назна ченной глубине их заложения начинают с определения раз меров подошвы фундаментов в плане: ширины для ленточ ных, ширины и длины для отдельных столбчатых. Согласно [26], при этом исходят из требований ограничения среднего давления р по подошве, давлений атах под краем и под углом фундамента величинами, обеспечивающими примене ние для расчета напряженного состояния основания реше
ний линейной |
теории |
упругости |
(использование модели ли- |
||
нейно-деформируемой |
среды — л.-д.с.). |
Применение |
модели |
||
л.-д.с. является правомерным, |
если выполняются |
условия: |
|||
р < R, (Хтах < |
1,2R для края и |
Стах ^ |
1,5R для угла фун- |
||
дамента, где iR — расчетное сопротивление. Величину рас четного сопротивления определяют по зависимости [26, фор мула (7)]
R = |
[M,kzynb + Mrfndi + (Mq- 1 )y'ndb + McCu], |
|
(1> |
где yc\ и yC2 — коэффициенты условий работы соответственно грунтового основания и сооружения во взаимодействии с основанием; k — коэффициент, принимаемый равным 1 при определении <рц и Сц по результатам испытаний образцов грунта и равным 1,1 при определении фи и си по таблицам нормативных документов; М 9 Мя, Мс— безразмерные коэф фициенты, зависящие от угла фп; kz— коэффициент, равный
1 при Ь < |
10 м и kz = 8/£ + |
0,2 при b ^ |
10 м; |
b — ширина |
(меньший |
размер) подошвы |
фундамента; |
уц, |
у'ц — удель |
ный вес грунта под фундаментом и выше его подошвы; d\ — глубина заложения фундаментов от пола подвала, при от
сутствии подвала — от |
планировочной отметки |
(di — d); |
db — глубина подвала |
от уровня планировки до |
пола под |
вала, при отсутствии |
подвала db = 0, для сооружений с под |
|||
валом |
шириной Ь\^20 |
м и глубиной более 2 м db = |
2 м, |
|
а при |
b > 20 м db = |
0; |
фп, Сц — расчетные значения |
угла |
внутреннего трения и сцепления грунта, залегающего непо
средственно |
под |
подошвой |
фундамента. |
|
Как известно |
[Ю ], выражение |
в квадратных скобках в |
||
зависимости |
(1) |
при kz = |
1, db = |
0 получается из формулы |
Пузыревакого — Герсеванова для полосовой нагрузки |
||||
р = |
~n(y'nd +'yiizmax + Сц ctg ф п )/(ctg фц - f |
|||
|
|
+ Фп — 0,5я) + |
y'nd, |
|
если принять zmax = 0,256, где zmax— глубина развития об ластей предельного напряженного состояния грунта (пласти ческих областей) в основании под краями полосовой нагрузки р. В этом случае
р = |
М 1уцЬ Mqy'\\d -|- МсСц = Яо, |
где |
|
М т = |
(0,25 •n)/(ctg фи + фп — 0,5я), |
Mq= 1+ я/ (ctg фп + фи — 0,5я), |
|
Мс = |
(я ^ ф п )/(^ ф п + фц — 0,5я), |
a R = R0(ycl уа)/к.
Таким образом, согласно условию p^.R, применение мо дели л.-д.с. для расчета основания допускается, ес^и пласти-
12
чеакие области развиваются в основании на глубину, равную приблизительно одной четверти ширины фундамента и менее.
В [26] для определения Л1т, Mq, Мс в зависимости от фи, а также для назначения коэффициентов yci, ус2>k приводятся соответствующие таблицы.
Площадь подошвы центрально нагруженного фундамента
.любой в плане формы определяется по зависимости
А = |
7ср|1^ ’ |
/ 9ч |
R Ч~ |
' |
следующей из уравнения равновесия сил No.n, С ф , Grp, уькьА, рА при p = R (рис. 3, а). Здесь No.ii— внешняя расчетная на-
Рис. 3. Расчетная схема к определению размеров фундамента: а — схема нагрузок на фундамент, б — план фундамента прямоугольной колонны
грузка, действующая на обрез фундамента; бф, GTР— расчет ные значения веса фундамента и грунта на его уступах; при расчетах принимают Оф + Grp = Adycpп, где усР п — средний удельный вес грунта и кладки фундамента в пределах объема Ad, YCP ” = 20 — 23 кН/м3; ув — удельный вес воды; hB— пре вышение поверхности грунтовых или поверхностных вод над уровнем подошвы фундамента.
Для прямоугольного в плане фундамента А = I Ь и для определения I и b необходимо назначить величину коэффици ента формы аф = 1/Ь. Б результате А = афЬ2 и при подста новке в уравнение (2) R из (1) получаем кубическое урав нение относительно искомой ширины фундамента Ь. При на значении аф следует учитывать принятую модульность и уни фикацию элементов фундаментов (см. табл. 1—4), в качестве первого приближения можно принимать аф близким коэффи циенту формы a,k = lk/bk поперечного сечения колонны с раз мерами Ik и bk. В частном случае при одинаковом выносе
U
фундамента в стороны (рис. 3,6), когда /— h = b — bk, что обеспечивает минимальный объем тела фундамента [8], размеры подошвы определяют по формулам
Ь = УА -Н 0,25 (/аг- |
Ьк) 2 - 0,5 (/* - Ьк) ; |
I = b |
(Ik — bk) . |
Для ленточных фундаментов колонн продольных (вдоль оси корпуса) рядов А = Lkb, где Lk — шаг колонн данного ряда. Ширина b фундамента определяется из уравнения (2), которое при замене в нем R выражением (1) становится урав нением 2-й степени относительно Ь.
Для определения по формуле (2) размеров подошвы фун даментов различной формы (прямоугольной, круглой, кольце вой и др.) на «афедре «Подземные сооружения, основания и фундаменты» разработана программа «Фундамент» для ЭВМ «Электроника ДЗ-28» [21].
При определении площади подошвы внецентренно нагру женного фундамента, в общем случае воспринимающего по
обрезу, кроме силы N0 п, моменты |
(в плоскостях хОг, yOz) |
и горизонтальные силы (по осям х |
и у), расчет выполняется |
последовательными приближениями. Сначала по изложенной выше ^методике определяют размеры подошвы фундамента как центрально нагруженного, т. е. в расчете учитывают только силу N0н. Полученные значения размеров далее по следовательно корректируют (увеличивают на 10—20% ), до биваясь при учете всех действующих на фундамент сил удов летворения следующих условий: 1) для среднего давления (в центре тяжести подошвы) р ^ /?; 2) для наибольшего кра евого давления (при действии изгибающего момента в одной вертикальной плоскости) crmax ^ 1,2/?; 3) для наибольшего давления под углом фундамента (при действии изгибающих моментов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) <Тшах ^ 1,5/?; 4) для минимального давления (под краем или углом фундамента) crmin > 0. При этом давление по подошве фундамента в точке с координатами х, у определяется по из вестной формуле внецентренного сжатия
N \ \ |
М . х и У |
, |
\\х |
/ov |
а = " Т " + |
— |
+ — |
|
(3) |
где Ми — расчетная вертикальная нагрузка в уровне подошвы (Nn = N0 п + бф + Grp, рис. 3, a); Mxiu Муи — моменты or расчетных нагрузок относительно соответствующих главных осей инерции площади подошвы; /*, Jy — моменты инерции площади подошвы относительно главных осей инерции х, у с началом координат в центре тяжести подошвы фундамента.
14
Для определения сгшах, <rmin в формуле (3) необходимо при нять координаты точек, наиболее удаленных от главных осей инерции; в этом случае имеем
(4)
где Wx, Wy— моменты сопротивления площади подошвы от носительно главных осей инерции х, у.
При наличии в основании ниже подошвы фундамента слоя грунта пониженной по сравнению с вышележащим грунтом прочности помимо ограничения напряжений по подошве вво дится также ограничение среднего давления на кровлю сла бого слоя [20, 26].
На следующем этапе проектирования фундаментов опре деляют совместные деформации основания и рассчитанных выше фундаментов — осадки, неравномерности осадок, крены, горизонтальные смещения и др. Расчетные деформации (сме щения) фундамента (за исключением горизонтального сме щения) достаточно просто определяются по осадкам харак терных точек поверхности основания (под центром, углами подошвы фундамента и др.). Осадки основания могут быть найдены различными методами механики грунтов при схема тизации грунтов соответствующими расчетными моде лями [10].
Применяемые в настоящее время методы расчета осадок основаны на использовании модели л.-д.с. для определения напряжений в основании, чем и обусловлены приведенные выше ограничения давлений по подошве фундамента. В ос нове этих методов лежат применение способа послойного сум мирования и концепция активной глубины Я а, в соответствии с которой осадка поверхности основания определяется дефор мациями верхней зоны основания в пределах так называемой сжимаемой толщи основания. Существует ряд условных спо собов и приемов определения На с различным физическим обоснованием и принятыми допущениями, но ни один из этих способов нельзя считать универсальным [8, 10]. В норматив ных документах, в том числе в [26], основной способ опре деления На = Нс основан на сопоставлении величины допол нительных вертикальных напряжений ozp от внешней на грузки с бытовыми (природными) напряжениями aZg (рис. 4). Нижняя граница активной зоны Нс устанавливается из ус ловия ozp 5^ a-ozg, в котором чисто эмпирический коэффи циент а в зависимости от соотношения деформируемости раз личных грунтов слоистого основания рекомендуется прини мать равным 0,2 или 0,1. Другой способ определения На—
введение ниже глубины На абсолютно недеформируемого под стилающего основания. В этом случае глубина Я а, рассчиты ваемая по эмпирическим формулам норм [26], определяет мощность условного деформируемого слоя конечной толщины Н. Слой конечной мощности Н становится физически оправ-
Рис. 4. Расчетная схема к определению глубины сжимаемой толщи и осадки осно вания фундамента. DL — отметка плани ровки (поверхности грунта в период экс плуатации) ; NL — отметка поверхности природного рельефа; ГВ — горизонт грун товых вод; НС — нижняя граница сжима
емой толщи
данным, если на глубине Н ^ На зале^ют практически не сжимаемые горные породы.
При использовании расчетной схемы линейно-деформируе- мого полупространства величина осадки поверхности основа ния определяется методом послойного суммирования по од-
16
ному из следующих выражений в зависимости от представле ния результатов исследования деформируемости грунтов:
5 |
Р |
2 -g -h fi |
(5) |
|
s |
2 |
°zPa‘ |
|
(6 ) |
/=11 + eo 1hr, |
||||
s |
2П |
eQi — Cj |
hi, |
(7) |
|
i= |
1 + eo i |
||
где p — коэффициент, |
учитывающий |
условность |
расчетной |
|
схемы, принимаемый равным |
0,8; п — число слоев, |
на кото |
||
рые разделена сжимаемая толща Нс\ozp i — среднее дополни тельное напряжение в i-м слое; Л/, £/, щ — соответственно тол щина, модуль деформации и коэффициент уплотнения i-ro слоя грунта; во,/, £/ — коэффициенты пористости в бытовом состоянии при напряжении ozgi и после возведения сооруже ния при напряжении ozgi + <jzpi в середине i-rо слоя (см. рис. 4). Для построения эпюры <yzp по вертикали, проходящей через точку поверхности основания, осадка которой рассчи тывается, принимают, что основание является однородным изотропным полупространством, и используют соответствую щее решение теории упругости. При давлениях рп = сг по подошве фундамента, характеризуемых зависимостью (3), напряжения azp в основании определяются от дополнитель ного давления р0 = ри — y'ud. Для случая равномерно рас пределенного давления р0 в СНиП 2.02.01—83 приводится таблица для вычисления ozp в основании по различным верти калям. Определение напряжений azp в полуплоскости от тра пецеидальной нагрузки р0 может быть выполнено на ЭВМ ЕС-1022 по программе «Курс-2», разработанной на кафедре «Подземные сооружения, основания и фундаменты».
Осадка основания с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого слоя толщиной Н определя ется [26] по формуле
* = - * — |
£ |
ki~Pkl~y-> |
(8> |
«т |
g j |
Ei |
|
где kc, km— коэффициенты, зависящие от относительной тол щины слоя, ширины фундамента и др.; k k i - i — коэффици енты, зависящие от формы, соотношения сторон фундамента и относительной глубины, на которой располагаются подошва и кровля i-ro слоя; коэффициенты kc, km, ki, ki~i принимают по таблицам норм [26]; обозначения других величин даны ра-
2 |
17 |
нее. В формуле (8) при ширине фундамента Ь ^ 10 м вели чину р = foi принимают равной среднему давлению по по дошве фундамента, при b < 10 м — р = р0.
По найденным величинам осадок поверхности основания определяют характерные перемещения (деформации) фунда мента. Для фундаментов( колонн главных корпусов АЭС и ТЭС таковыми являются наибольшая осадка каждого отдель ного фундамента smax и относительная разность осадок As/L = (smaxi — Smax 2) /L соседних фундаментов 1, 2 с рас стоянием L между ними.
Согласно принципу расчета по деформациям, являюще муся в настоящее время основой проектирования фун даментов, совместная деформация s основания и фундаменту (сооружения), определенная расчетом, не должна превышать предельного значения совместной деформации su, т. е.
5 |
su. |
(9) |
Предельные деформации ограничивают те возможные дефор мированные состояния сооружения, которые еще не препят ствуют его нормальному функционированию. Их величина определяется конструкцией сооружения, его прочностью и деформируемостью, а также эксплуатационными требова ниями к сооружению и размещенному в нем оборудованию. Определение предельных деформаций связано со специаль ными расчетами сооружения во взаимодействии с основанием. Допускается (в том числе в учебном проектировании) прини мать значения предельных деформаций по рекомендациям норм [26]. В частности, для фундаментов колонн главных
*корпусов АЭС и ТЭС они назначаются следующими: относи тельная разность осадок (As/L)u соседних фундаментов для железобетонных рамных конструкций — 0,002, стальных — 0,004; максимальная осадка Smaxu отдельных фундаментов для железобетонных рамных конструкций — 8 см, стальных — 12 см.
При значениях расчетных деформаций, удовлетворяющих условию (9), размеры фундаментов принимаются по данным ранее выполненных расчетов на основе использования усло вий р ^ 7?, Отах ^ 1,27? или 1,57?. При этом на плотных грун тах значения расчетных деформаций 5 нередко оказываются значительно меньше предельных sUj что допускает возмож ность уменьшения размеров фундаментов при увеличении де формаций 5 в пределах условия (9). В частности, при 5 ^ ^ 0,4su нормы [26] разрешают повышать расчетное сопро тивление (не более чем на 20%) и тем самым несколько уменьшать площадь фундамента, однако при новых размерах фундамента деформации не должны превышать 50% предель-
18
пых. Незначительное повышение величины R обусловлено не обходимостью гарантировать правомерность применения при нятой в нормах модели л.-д.с. При этом существенные резервы уменьшения габаритов фундаментов остаются неиспользован ными. Как показано в разделе 7, эффективное проектирова ние экономичных фундаментов по деформациям (без приме нения расчетного сопротивления) связано с представлениями грунтов упруго-пластическими моделями сплошной рреды.
При значениях расчетных деформаций, превышающих пре дельные значения (5> s w), снизить деформации 5 можно пу тем изменения размеров фундамента (глубины заложения d, размеров подошвы /, Ь), применением конструктивных и тех нологических мероприятий по искусственному улучшению ос нований (устройство распределительных песчаных, щебени стых, грунтовых подушек; поверхностное, глубинное уплотне ние и закрепление грунтов оснований). Следует иметь в виду, что обеспечение условий по напряжениям (р ^ R и др.) и де формациям (s ^ su) может быть достигнуто в случаях фунда ментов с различными вариантами значений dt 6, /. Для каж дого из рассматриваемых вариантов необходимо выполнить расчеты аналогично изложенным выше. Обычно окончатель ное решение о размерах фундамента принимается по резуль татам технико-экономического сопоставления вариантов
[8, 12].
Помимо расчета по деформациям, являющегося основным, проектирование фундаментов включает расчет оснований по несущей способности (по пе^рвому предельному состоянию) и оценку устойчивости системы фундамент — основание. Такие расчеты предусматриваются обычно для специально оговари ваемых случаев. Применительно к фундаментам колонн, со гласно [26], такими случаями являются: 1) фундамент пере дает на основание как вертикальную, так и значительную го ризонтальную нагрузку; 2) основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными (sr ^ 0,8) грунтами, в которых при эксплуатационных нагрузках развивается нестабилизированное состояние; 3) основание сложено скальными грунтами.
Расчет оснований по несущей способности производится на основное, дополнительное или особое сочетание нагрузок исходя из условия
F ^ - ^ - F u, |
(10) |
In |
|
где F — расчетная нагрузка на основание; Fu— сила предель ного сопротивления (несущая способность) основания; ус, уп— коэффициенты условий работы и надежности, регламентируе мые нормами [26].
В практике расчетов помимо условия (10) широко исполь зуется понятие коэффициента запаса устойчивости Кз = = Fu/F при представлении критерия устойчивости в виде
К з^ К и, |
(11) |
где Ки = уп/ус— предельный коэффициент |
устойчивости. |
В современных методах расчета устойчивости коэффициентзапаса Кз в условии (11) определяется не только через отно шение сил Fu и F, но и через отношение моментов (например, в методе круглоцилиндрических поверхностей скольжения) Кз = Мр пр/Мрд, где Мр Пр, МрД— моменты реактивных сия соответственно в предельном состоянии и развивающихся от действующих нагрузок. Момент Л4РД обычно вычисляется как
момент |
Ма активных |
(действующих) сил [10]. Имеются |
|||
также |
и другие |
предложения по форме |
представления Кз. |
||
[8, |
10]. |
|
или |
(И ) подразумевают |
выполнение ряда |
|
Условия (10) |
||||
расчетов по несущей способности в зависимости от конкрет ных условий в предположении различных форм нарушения устойчивости. В частности, для фундаментов колонн следует рассматривать плоский сдвиг по подошве (при действии од новременно вертикальных и горизонтальных нагрузок) и сдвиг основания совместно с фундаментом (глубинный сдвиг) по некоторой заглубленной в основание поверхности сколь жения.
При расчете устойчивости фундамента колонны на сдвиг
по подошве значения сил F и Fu в условии (10) |
необходима |
|||
принимать равными: |
F = Fohi = |
Hi\ |
Fu = |
(N0i + бф - f |
+ Grp— yBhBA) tg<pi + |
CiA, где N0i = |
V\\ |
Hi, Vi — расчетные |
|
горизонтальная и вертикальные нагрузки на обрезе фунда мента, другие величины те же, что в формуле (2). При расче тах несущей способности оснований используются значения нагрузок и параметров прочности щ, си отвечающие расчетам по 1-му предельному состоянию. При нестабилизированном состоянии основания, помимо гидростатического давления yBhB, следует учитывать по подошве фундамента поровое дав ление, определяемое методами теории консолидации [10].
При оценке устойчивости оснований по схеме глубинного сдвига широко применяется метод, основанный на принятии (круглоцилиндрической поверхности скольжения. Метод по зволяет легко учитывать неоднородность, анизотропию грун тов, нестабилизированное состояние основания, может быть использован в случаях любого соотношения вертикальных и горизонтальных нагрузок, многократно проверен практикой расчетов [8, 12]. Как известно, расчеты по этому методу со
стоят в поиске |
наиболее опасной поверхности |
скольжения |
с минимальным |
коэффициентом запаса Кз min = |
Мр пр/М р д к |
20