Классификация деформаций по степени повреждения несущих конструкций

Наиболее опасны для конструкций зданий и сооружений неравномерные деформации основания, которые вызывают дополнительные усилия в конструкциях. При этом чем больше деформация, тем больше могут быть усилия, которые при определенной их величине приводят к возникновению трещин в конструкциях.

Основными причинами возникновения неравномерных деформаций являются:

- неравномерная сжимаемость грунтов из-за их неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев

- неодинаковая нагрузка на фундаменты, вынуждающая предусматривать различные размеры их подошвы, а это при одной и той же интенсивности давления на основание вызывает неравномерные осадки уплотнения;

- неравномерное увлажнение просадочных и набухающих грунтов, приводящее к различным деформациям (просадки или подъема фундаментов);

- неодновременное загружение фундаментов в процессе строительства и эксплуатации зданий, особенно при строительстве зданий вблизи существующих;

- неравномерное распределение нагрузок на полы производственных зданий, а также наличие различающейся пригрузки вблизи здания или сооружения.

Предельные величины осадок оснований фундаментов

Конструкция зданий и тип фундаментов	Величинаf (в см)
Здания с неармированными кирпичными стенами на ленточных и отдельно стоящих фундаментах при отношении длины стены L к ее высоте Н (считая от подошвы фундамента)
L:H более или = 2,5	8
L:H более или = 1,5	10
Здания с кирпичными стенами, армированными желелезобетонными или железокирпичными поясами	15
Здания с каркасом по полной схеме	10
Сплошные железобетонные фундаменты дымовых труб, силосных корпусов, водонапорных башен и т. п.	30

Изменение сжимаемости основания характеризуется отношением Еmax : Emin (крайних величин средних значений модулей деформаций}, определяемых по шурфам или скважинам в пределах сжимаемой толща грунта площади здания.

Расчетные экспериментальные методы определения осадок фундаментов.

Поскольку конструкции здания или сооружения получают наибольшие деформации при полном развитии осадки в конце срока стабилизации ограничивает эти значения осадок, называемые конечными или просто осадками. Последний термин, как более краткий, будет использован в дальнейшем, так как ниже рассматривается расчет только конечных осадок. Таким образом, осадкой фундамента называется полное вертикальное перемещение его вследствие деформации толщи грунта основания, медленно развивающейся во времени. Осадкой слоя грунта называется величина, на которую уменьшается его толщина вследствие деформации грунта этого слоя. Разработано семнадцать методов расчета осадок. Однако в проектной практике в большинстве случаев пользуются двумя основными методами: методом суммирования и методом эквивалентного слоя. Анализ всех методов расчета занял бы много времени, поэтому остановимся лишь на некоторых из них.

Определение осадки методом суммирования

Рассматриваемый метод расчета основан на следующих допущениях: 1) грунт под фундаментом не имеет бокового расширения; 2) вертикальные деформации слоев грунта прямо пропорциональны напряжениям pz, убывающим с глубиной; 3) на глубинах, где дополнительное напряжение pz составляет менее 20% от веса вышележащих слоев грунта (природное давление), считается, что грунт не испытывает деформаций; 4) напряжения рz определяются под центром загружения методами теории упругости без учета изменения деформативных характеристик грунта по глубине; 5) безразмерный коэффициент р, зависящий от коэффициента пикового расширения грунта, принимается равным 0,8 для всех видов грунтов и рассматривается как коэффициент, корректирующий упрощенную расчетную схему; 6) жесткость фундаментов и надфундаментных конструкций не учитывается. На основе перечисленных допущений расчет осадки фундамента производится по формуле:

где п — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания; hi — толщина i-го слоя грунтов в см; Ei — модуль общей деформации i-го слоя в кГ/см2; β — безразмерный коэффициент, равный 0,8; pZi — полусумма вертикальных нормальных напряжений в кГ/см2, возникающих на верхней и нижней границах i-го слоя грунта от давления, передаваемого фундаментом, вычисляемых по формуле (39). В случае учета влияния загружения соседних фундаментов дополнительно от каждого учитываемого фундамента вертикальные нормальные напряжения рассчитываются по формуле (42). При определении мощности сжимаемой толщи основания руководствуются условием:

рг≤0,2рбz (48)

где pz — вертикальные напряжения на глубине z, возникающие от загружения рассматриваемого фундамента и определяемые по формуле (39). В тех случаях, когда необходимо учесть загружения соседних фундаментов, pz вычисляется по (42); Рбг — природное давление, определяемое по формуле (37). СНиП рекомендует следующий прием оценки необходимости учета загружения соседних фундаментов.

Считается, что осадки отдельных фундаментов следует определять с учетом влияния, нагрузок от соседних фундаментов в тех случаях, когда имеет место условие: Кг Lф ≤ Lг, (49) где Lф — фактическое расстояние между осями фундаментов в см; Lг— расстояние, получаемое по графикам (см. рис. 13), в см; Кт — коэффициент, определяемый по формуле:

b — ширина подошвы фундамента, необходимость учета влияния которого рассматривается, в см. Е — модуль деформации грунта, принимаемый средним в пределах сжимаемой толщи, в кГ/см2; 0,6 — коэффициент, имеющий размерность, в см3/кГ. Величина Lг для прямоугольных фундаментов с промежуточным значением отношения l/b определяется интерполяцией.

Рис. 13. Графики для определения расстояния между осями фундаментов в случае учета влияния загружения соседнего фундамента а — для квадратного фундамента; б —для прямоугольного фундамента при l/b ≥ 5.

Поскольку метод, рекомендованный СНиПом, может быть использован далеко не во всех случаях (например, при наличии двух соседних фундаментов, расположенных на различном расстоянии от рассчитываемого), целесообразно принять простейшую приближенную оценку необходимости учета загружения соседних фундаментов или поверхности грунта полезной нагрузкой.

В порядке первого приближения следует учитывать все нагрузки, приложенные на расстоянии менее мощности сжимаемой толщи рассчитываемого фундамента. Мощность этой толщи сначала приходится оценивать ориентировочно. В ходе расчета она уточняется в зависимости, от напряжений как от загрузки рассчитываемого фундамента, так и соседних.

Расчет осадки фундамента методом эквивалентного слоя

Метод суммирования, как показывают приведенные выше примеры, громоздок. Кроме того, он не является точным, так как основан на ряде ранее отмеченных допущений. Во многих случаях расчет осадки фундаментов может быть произведен по более простому методу эквивалентного слоя. Основные допущения рассматриваемого метода при мощном слое однородного грунта: 1) однородный грунт имеет бесконечное распространение и пределах полупространства; 2) деформации в пределах полупространства пропорциональны напряжениям, т. е. полупространства линейно деформируемо; 3) деформации полупространства устанавливаются методами теории упругости. Из теории упругости известно, что осадка поверхности линейно деформируемого полупространства может быть найдена по формуле:

где ω — коэффициент осадки, зависящий от формы площади загружения, жесткости фундамента и места расположения точки, в которой определяется осадка; рд — интенсивность приложенного давления, деформирующего рассматриваемое полупространство (грунты основания), в кГ/см2; b — ширина площади загружения в см; Е — модуль общей деформации грунта в кГ/см2; μ — коэффициент бокового расширения грунта основания. Эта формула учитывает ограниченное боковое расширение грунтов основания и деформации их под действием всех компонентов напряжений.

Расчет осадок при слоистом напластовании грунтов

Для определения осадки фундамента при слоистом залегании различных грунтов предложено приближенное решение. Рекомендовано эпюры напряжений сложных очертаний заменить на суммарную эквивалентную треугольную эпюру уплотняющих давлений (рис. 16), под действием которой разовьется осадка, равная осадке, определяемой по формуле (56). Из этого положения находят высоту треугольной эпюры уплотняющих давлений:

Н = 2hs.

Величина Н рассматривается как мощность активной зоны, в пределах которой практически деформируется грунт под действием уплотняющих давлений, распределенных по треугольной эпюре. В таком случае при наличии нескольких слоев грунта в пределах мощности активной зоны рекомендует определять среднее значение коэффициента относительной сжимаемости а0m по формуле:

Где hi -толщина i-го слоя грунта в пределах активной зоны, равной 2 hs в см; а0i— коэффициент относительной сжимаемости i-го слоя

грунта в см2/кГ; Zi — расстояние от точки, соответствующей глубине 2 hs, до середины i-го слоя (рис. 17) в см; hs — мощность эквивалентного слоя в см; п — число слоев в активной зоне. Формулой (61) можно пользоваться и при непрерывном изменении приведенного коэффициента сжимаемости грунта по глубине отдельного слоя. В этом случае слой надо разбить на части, в пределах которых можно принять значение коэффициента относительной сжимаемости постоянным.

Зная средний коэффициент относительной сжимаемости слоистой толщи грунтов, легко определить осадку фундамента по уже известной формуле: S = hsa0mPд(62) В этом случае при определении величины коэффициента эквивалентного слоя по табл. 13 принимают среднее значение коэффициента бокового расширения грунта μ.

Рис.16.Расчетная схема эквивалентной эпюры.

Расчет осадки фундамента по методу Егорова

При расчете осадки фундамента исходят из следующих допущений: 1) деформирующаяся толща грунтов ограничена по мощности; 2) деформации в пределах каждого слоя пропорциональны напряжениям, т. е. грунт каждого слоя является линейно деформируемым; 3 деформации отдельных слоев устанавливаются с учетом всех составляющих напряжений; 4) осадка фундамента равна средней величине осадки поверхности грунта под действием равномерно распределенной нагрузки; 5) жесткость фундамента не учитывается; 6) распределение напряжений в слое грунта принимается в соответствии с задачей однородного полупространства, а жесткость подстилающего слоя учитывается поправочным коэффициентом М.

Выведена формула для конечной осадки:

Где b — ширина фундамента; рд — среднее давление, под действием которого уплотняется грунт основания; Еi — модуль деформации i-гo слоя грунта; Кi — коэффициент, зависящий от формы подошвы и отношения Н/b , определяемый по табл. 14. М — коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений при наличии жесткого подстилающего слоя (принимается по табл. 14). Коэффициент М одновременно учитывает отсутствие перемещений по контакту сжимаемого слоя грунта и подстилающего недеформируемого массива. Величина М зависит от коэффициента Пуассона μ = 0,30. Мощность активной зоны Н, в пределах которой следует учитывать деформации грунтов основания, по этому методу установить нельзя, поэтому при отсутствии подстилающих скальных пород определяет ее в соответствии с методом суммирования. Кроме того, этот метод пока не позволяет определять осадку фундамента с учетом влияния загружения соседних площадей и фундаментов. Однако весьма ценно, что по этому методу определяются деформации не под действием одного компонента напряжений, а с учетом напряженного состояния в пределах каждого рассматриваемого линейно деформируемого слоя.

Определение осадок методом угловых точек (с использованием эквивалентного слоя)

Этот метод используется для определения осадок гибких фундаментов или для учета влияния осадки соседних фундаментов.

Расчёт осадки фундамента по методу эквивалентного слоя (Н.А. Цытовича) позволяет определять осадки основания в любой точке основания. Прежде всего это относится к угловой точке, для которой автором составлены таблицы по нахождению величин Аωос, позволяющие вычислять величину hэ.

На приведённом рисунке показаны основные схемы по вычислению эквивалентного слоя и осадок основания в любых точках. Используя эту же методику можно определять осадки фундаментов (В) с учётом влияния соседних фундаментов (А). В этом случае алгебраическим суммированием толщин эквивалентных слоёв грунта найденных для различных площадей (в их углах), можно определить конечные величины осадок.

Схемы возможности определения осадок основания и взаимного влияния фундаментов с использованием метода угловых точек.

Тогда осадка фундамента (В) может быть определена выражением:

S=hэ mvP; где hэ определиться алгебраическим суммированием эквивалентных слоёв площадей 1, 2, 3, 4. hэ=hэв+hэ1+hэ2-hэ3-hэ4 (см. схему на рисунке).

Подобным же способом можно определить осадку фундамента (А) с учётом влияния фундамента (В).

Такие задачи возникают при проектировании фундаментов и зданий рядом с существующими зданиями. Особое значение эта задача имеет в условиях строительства при плотной городской застройке.

3