книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

соответственно относительных горизонтальных деформаций и ис­ кривления земной поверхности; Z и Н — длина и высота здания.

При значениях Д/х= 120...160 мм условия нормальной эксплу­ атации зданий не нарушаются; при Д/х=300,..400 мм происходит частичное, а иногда полное разрушение зданий.

Неравномерные оседания земной поверхности вызывают изгиб здания, наклоны — его крен, а горизонтальные деформации (растя­ жения или сжатия грунта), воздействуя на заглубленную в основание часть здания,— продольные усилия в их конструкциях, изгибающие моменты и поперечные силы. Воздействия деформаций земной пове­ рхности на подрабатываемых территориях относятся к числу особых.

Расчетные значения деформаций земной поверхности определя­ ются умножением нормативных значений на коэффициенты пере­ грузки у/> 1 и условий работы ус^ 1 , принимаемые по рекомендаци­ ям норм. Например, расчетные относительные горизонтальные де­ формации вычисляют по формуле

где £д — ожидаемая (нормативная) относительная горизонтальная деформация земной поверхности; у/ — коэффициент перегрузки, принимаемый при неизвестном взаимном расположении объекта и горных выработок равным 1 ,2 ; ус— коэффициент условий рабо­ ты, принимаемый при длине здания или отсека более 30 м равным 0,7, при длине 15...30 м — 0,85, при длине менее 15 м — 1,0.

В бескаркасных зданиях алгебраическое сложение дополнитель­ ных усилий в фундаментах от искривления основания и горизон­ тальных деформаций приводит к уменьшению расчетных усилий. В каркасных зданиях со статически неопределимыми несущими рамами и отдельными фундаментами, когда между ними не предус­ матриваются связи-распорки, дополнительные усилия от искривле­ ния основания, вызванные смещением фундаментов по вертикали на величину Ah и углом поворота фундамента А<р, а также от горизон­ тальных деформаций земной поверхности, вызванных перемещени­ ем фундаментов на величину АI (рис. 16.9), однозначно суммируют­ ся. При этом из-за возникновения изгибающих моментов в уровне заделки колонн в фундаменты последние работают на внецентренную нафузку.

Нормативные величины перемещений Дйв, А<рн, АГ определяют по формулам

(1б;4)

где хпи хп—1 -—расстояния до л-й и (и—1)-й колонн от центральной

оси отсека, блока пространственной устойчивости или центральной колонны; R и щ — прогнозируемые деформации Земной поверх­ ности на участке строительства.

451

Примечание. В остальных случаях следует принимать уС2= 1-

Расчетные величины Ah, А(р и А/ определяются умножением нормативных значений перемещений на коэффициенты у/ я ус.

Расчетные характеристики грунтов. Расчетные значения про­ чностных и деформационных характеристик грунтов для определе­ ния усилий от деформаций земной поверхности принимаются рав­ ными нормативным (yg= 1).

Для зданий с жесткой конст­ руктивной схемой при опре­ делении расчетных сопроти­ влений грунтов основания коэффициент условий рабо­ ты уа. принимается по табл.

452

сткости всех несущих элементов зданий, в том числе фундаментов, при воздействии дополнительных усилий, вызванных сдвижениями земной поверхности. При этом в конструкциях подвально-фунда­ ментной части здания должны применяться: при ленточных фун­ даментах— железобетонные пояса жесткости; в плитных фундаме­ нтах — соответствующее армирование; при столбчатых фундамен­ тах — связи-распорки между ними.

При податливой схеме расчет конструкций ведется по второй группе предельных состояний с обеспечением требований расчета по первому предельному состоянию для конструкций, расположенных выше шва скольжения. Конструктивное решение должно обеспечи­ вать податливость и гибкость подвально-фундаментной части, до­ статочные для возможности её смещения вслед за перемещениями основания1без появления в конструкциях значительных усилий. Для этого в конструкциях этой части зданий применяют швы сколь­ жения, наклоняющиеся фундаменты. Допускается использование ослабленных ограждающих конструкций, которые могут бьггь впо­ следствии заменены.

Швы скольжения, обеспечивая достаточно свободное смещение фундаментов относительно надфундаментной конструкции, позво­ ляют снизить усилия в Несущих элементах при сдвижениях основа­ ния. Конструктивно они могут выполняться Из двух слоев руберо­ ида с прослойкой инертной пыли.

Основной конструктивной мерой защиты является разрезка зда­ ний на замкнутые отсеки деформационными швами. На рис. 16.10 показаны конструктивные чрешения фундаментов в деформацион­ ных швах для каркасно-панельных зданий.

Для увеличения пространственной жесткости зданий или отдель­ ных отсеков могут устраиваться железобетонные фундаментные (на уровне подушек или над швом скольжения) и цокольные (под перекрытием подвала) пояса. В отдельных случаях целесообразны отказ от системы отдельно стоящих фундаментов и замена ее фундаментами в виде сплошных железобетонных плит, перекрест­ ных лент, балок-стенок (в основном на территориях I и I, к групп).

Для уменьшения влияния бокового давления грунта при сдвиже­ нии на фундаменты рекомендуется назначать минимально возмож­ ную по требованиям СНиП 2.02.01 — 83 глубину заложения фун­ даментов, выдерживая ее постоянной в пределах отсека. Засыпку пазух котлованов целесообразно выполнять из материалов, облада­ ющих малым трением и сцеплением. Эффективным защитным ме­ роприятием, осуществляемым перед началом подработки, является устройство временных компенсационных, траншей по периметру здания, заполняемых малопрочным материалом или рыхлым грун­ том и имеющих заглубление на 15...20 см ниже подошвы фундамен­ тов.

При больших значениях прогнозируемых деформаций, превыша­ ющих допускаемые для здания, необходимо предусматривать воз-

453

можность выравнивания здания в процессе эксплуатации. Для этой цели применяют гидродомкратные системы. Проемы для размеще­ ния домкратов располагают в углах здания, в местах пересечения капитальных стен, на прямолинейных участках стен. Над проемами и под ними устраиваются железобетонные пояса для восприятия нагрузок от фундаментов, а по подошве фундаментов — пояс для восприятия усилий от горизонтальных деформаций.

Особенности проектирования свайных фундаментов на подрабаты­ ваемых территориях. Горизонтальные перемещения грунта при под­ работке приводят к возникновению усилий, передающихся на ро­ стверк в виде горизонтальных реакций. В этих условиях ростверк помимо распределения вертикальных нагрузок работает и в горизо­ нтальной плоскости как фундаментный железобетонный пояс. Рас­ чет ростверка производится в вертикальной плоскости на воздейст­ вие вертикальных нагрузок с учетом искривления основания при подработке и в горизонтальном сечении на усилия, передающиеся от свай. Основание в расчетах принимается упругим, свая рассмат­ ривается как стержень конечной жесткости.

454

Важным элементом проектирования является расчетное обосно­ вание схемы сопряжения голов свай с ростверком. Конструктивно это сопряжение может быть выполнено в виде жесткой заделки, шарнирным или через шов скольжения (рис. 16.11). От схемы со­ пряжения зависит величина допускаемых горизонтальных переме­ щений голов свай, которая для свайных фундаментов с низким ростверком принимается равной соответственно 2; 5 и 8 см. Схема сопряжения также существенно влияет на характер деформаций и усилия в свае от горизонтального давления грунта.

Несущую способность по грунту Fcr свай всех видов, работа­

ющих на сжимающую нагрузку, при подработке территории следу­ ет определять по формуле

где уст — коэффициент условий работы, учитывающий изменение

физико-механических свойств грунтов и перераспределение верти­ кальных нагрузок при подработке территорий: для свай-стоек в фу­ ндаментах любых зданий и сооружений усг= 1 ; для висячих свай

в фундаментах податливых зданий и сооружений — 0,9; для висячих свай в фундаментах жестких зданий и сооружений — 1,1; Fd— несу­ щая способность сваи, определенная расчетом или по результатам полевых исследований (см. гл. 1 1 ).

Свайные фундаменты следует применять, как правило, на подра­ батываемых территориях I — IV групп. На территориях групп I, к — IV, к использование свайных фундаментов допускается только при наличии специального обоснования.

В заключение следует отметить эффективность применения дру­ гих мероприятий, способствующих безаварийному освоению подра­ батываемых территорий. К ним можно отнести целесообразную планировку кварталов и сетей улиц городов, архитектуру отдель­ ных зданий и сооружений. Снижение деформаций земной поверх­ ности может быть достигнуто использованием горных мер защ и ­ ты, включающих закладку выработанного пространства породой, применение специальных способов отработки пластов.

Глава 17

ФУНДАМЕНТЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

17.1. Особенности динамических воздействий на сооружения и грунты основания

Динамические нагрузки. Динамические воздействия на сооруже­ ния и грунты основания могут быть вызваны различными причина­ ми: технологией ведения строительных работ (уплотнение грунта трамбовками, вибраторами; забивка свай и шпунта и т. п.); тех­

455

нологическими или эксплу­ атационными условиями (движение неуравновешен­ ных масс стационарно установленных машин и оборудования; движение наземного и подземного транспорта и т. д.); локаль­ ными природными или ин­ женерно-геологическими процессами, включая по­ следствия хозяйственной деятельности человека (по­ рывы ветра; удары волн; карстовые провалы; обва­ лы; откачка больших масс воды или нагнетание под большим давлением масс воды в глубокие скважины;

создание крупных водохранилищ в горно-сейсмических районах, мощные взрывы и т. д. и т. п.); современными тектоническими движениями, происходящими в верхней части земной коры и прояв­ ляющимися на ее поверхности (землетрясения).

Эти воздействия проявляются в виде динамических нагрузок, быстро изменяющихся во времени по величине, направлению, а иногда и по положению. Следствием динамических нагрузок являются волновые колебания, возникающие в сооружении и грун­ тах основания. При этом сооружение может быть как источником колебаний (например, фундаменты машин и оборудования с дина­ мическими нагрузками), так и воспринимать колебания, переда­ ющиеся от других источников. Общая картина распространения колебаний может быть крайне сложной (рис. 17.1).

Различаются вибрационные нагрузки, при которых силы, их вызывающие, изменяются по гармоническому закону (например, вращение частей машин с неуравновешенными массами); ударные (импульсные) нагрузки, характеризуемые однократными и много­ кратными кратковременными импульсами (взрывы, кузнечные мо­ лоты, забивка свай и др.); сейсмические нагрузки, возникающие при землетрясении. При работе некоторых машин возникает сочета­ ние вибрационных и ударных нагрузок. Локальные инженерно-гео­ логические процессы вызывают нагрузки, которые часто называют микросейсмическими.

Динамические нагрузки могут различаться по интенсивности (слабые, сильные и сверхсильные) и по времени действия (кратко­ временные и длительные). Они по-разному будут воздействовать на сооружение и грунты основания.

Виды м характеристики колебаний. Если к сооружению прило­

456

Поскольку в расчетах фундаментов на динамические воздейст­ вия большое значение имеют характеристики колебаний, приведем основные понятия, подробно рассматриваемые в курсе физики, П ериодическими называют незатухающие колебания, описыва­ емые функцией Z(t) =Z(t+KT) (рис. 17.2, а, б). Если периодические колебания могут быть записаны по закону синуса или косинуса, например Z(t)=asin(a>t+y), то их называют гармоническими (рис. 17.2, а). Периодом колебания Т называют интервал времени, за который система совершает один цикл колебаний, возвращаясь

висходное состояние; частотой колебаний / — количество циклов колебаний за единицу времени. За единицу частоты гармонических колебаний принимается терц (Гц), равный одному циклу колебаний

всекунду. Величину отклонения колеблющейся точки от ее положе­ ния равновесия называют амплитудой колебании а, а ее удвоенную величину (2 а) — размахом колебаний.

Непериодические затухающие колебания (рис. 17.2, в) характери­ зуются логарифмическим декрементом затухания «5—1п(ZnjZn+\)

457

или коэффициентом затухания e=S/T. Чем больше коэффициент затухания е, тем быстрее затухают колебания.

Важно отметить, что очень сложные графики колебаний, регистри­ руемые при наблюдении за реальными процессами, могут быть представлены как сочетания нескольких графиков простых колебаний.

Если собственная частота колебаний системы совпадает с часто­ той вынужденных колебаний, наступает явление резонанса, со­ провождающееся возрастанием амплитуды колебаний точек систе­ мы. Известный из курса физики случай разрушения моста, по которому строевым шагом проходил полк солдат, связан именно с возникновением резонанса.

Явления, происходящие в грунтах при динамических воздействиях. Влияние динамических воздействий на изменение свойств грунтов зависит как от интенсивности нагрузок, частоты и продолжитель­ ности их действия, так и от вида грунта, его состояния по плотности и влажности.

Исследованиям этих сложных проблем посвящены работы Д. Д. Баркана, О. А. Савинова, Н. Н. Маслова, П. Л. Иванова, Н. Д. Красникова и др.

В практике строительства известны случаи, когда длительная работа машин или оборудования с динамическими нагрузками вы­ зывала значительные осадки расположенных на некотором удале­ нии конструкций, приводящие к их авариям и даже разрушению. Известны также случаи возникновения в настоящее время допол­ нительных осадок старинных зданий, построенных на слабых грун­ тах, из-за динамического влияния городского транспорта при воз­ росшей интенсивности его движения. Эти процессы связаны с явле­ нием виброкомпрессии — дополнительным уплотнением рых­ лых несвязных грунтов даже при слабых и умеренных вибрацион­ ных или часто повторяющихся ударных нагрузках.

Механизм виброкомпрессии заключается в том, что динамичес­ кое воздействие на грунт приводит к разрушению структуры и воз­ никновению вследствие этого взаимного перемещения частиц. При увеличении частоты вибрации перемещение частиц приобретает ха­ рактер длительного накопления деформаций во времени, назван­ ного П. Л. Ивановым виброползучестью . Он приводит следу­ ющий характерный пример виброползучёсти. В Нижнем Новгороде было построено на песчаном основании здание кузнечного цеха. Известно, что стабилизация осадок песчаных оснований при дейст­ вии статических нагрузок происходит очень быстро, а величина их относительно невелика. В рассмотренном же случае осадки, достиг­ шие 30 см, развивались в течение семи лет без существенного затухания деформаций. Такой характер деформаций можно объяс­ нить только длительным развитием процесса ползучести песков при действии повторяющихся динамических нагрузок.

Длительные вибрационные и ударные нагрузки могут приводить к снижению сопротивления сдвигу как песчаных, так и глинистых

458

грунтов, особенно в водонасыщенном состоянии. Это вызывает уменьшение несущей способности оснований при динамической на­ грузке на фундамент по сравнению с ее величиной при статической нагрузке. В глинистых грунтах, особенно пластичной и текучей консистенции, при динамических воздействиях отмечается резкое разжижение (тиксотропия) грунта. Разжижение свойственно и водонасыщенным песчаным грунтам различной крупности, осо­ бенно пылеватым и мелким. В зависимости от интенсивности и про­ должительности динамического воздействия разжижение может со­ провождаться последующим уплотнением песчаного грунта под действием массовых сил.

Влияние разжижения грунта может иметь как положительный характер (уменьшение сопротивления при забивке свай с последу­ ющим его восстановлением), так и отрицательный. Б. И. Далматов приводит пример, когда в долине р. Ганг во время землетрясения в грунте «тонули» одноэтажные здания, получавшие осадку 1 ...2 м. Осадка сопровождалась фонтанированием разжиженного песка в местах разрыва поверхностного слоя грунта.

Описанные явления свидетельствуют о том, что проектирование фундаментов сооружений при действии динамических нагрузок всегда должно проводиться с учетом возможного уменьшения несущей способности грунтов основания. Для ответственных сооружений, чувствительных к неравномерным деформациям, особенно распола­ гаемых на водонасыщенных мелких и пылеватых песках и глинах, необходимо учитывать дополнительные осадки, возникающие в ре­ зультате действия длительных динамических нагрузок. Землетрясе­ ния, вызывая очень сильный по величине, но кратковременно действу­ ющий импульс, могут привести к разрушению основания, однако не будут вызывать значительного дополнительного уплотнения грунта.

'Динамика сооружении и динамика грунтов. Даже приведенные выше краткие сведения позволяют заключить, что поведение соору­ жений и грунтов оснований при динамических воздействиях сущест­ венно отличается от рассмотренного в предыдущих главах их пове­ дения при статических нагрузках. При динамических воздействиях требуется учет многих факторов, не проявляющихся при расчетах сооружений и оснований на статические нагрузки. Исторически это привело к формированию двух специальных областей строительной науки: динамики сооружений, занимающейся расчетом и проек­ тированием различного рода конструкций на динамические нагруз­ ки, и динамики грунтов, изучающей процессы й явления, проис­ ходящие в грунтах при динамических воздействиях.

17.2. Фундаменты под машины и оборудование с динамическими нагрузками

Основные положения. Существует огромное разнообразие типов машин и оборудования, передающих через фундамент динамичес­

459

кие воздействия на грунты основания. По характеру динамического воздействия все они различаются на машины периодического и не­ периодического, включая импульсное, действия. Динамические на­ грузки, возникающие при работе таких машин, могут изменяться по различным законам и приводить к разным колебаниям системы «машины — фундамент — основание». Поэтому при едином теоре­ тическом подходе практические приемы расчета и проектирования фундаментов различных групп машин и оборудования могут раз­ личаться.

Общая задача проектирования фундаментов заключается в том, чтобы обеспечить нормальную работу установленных на них ма­ шин и оборудования, исключить вредное воздействие вибрации на расположенные вблизи строительные и технологические объекты, удовлетворить требования санитарных норм в отношении уровня допустимых вибраций для обслуживающего персонала. При этом фундаменты должны быть экономичными и соответствовать со­ временному технологическому уровню строительных, работ.

Расчет фундаментов производится на действие статических и ди­ намических нагрузок.

Расчетные статические нагрузки определяются обычным спосо­ бом (масса машины и вспомогательного оборудования, фундамента и грунта на его обрезах с коэффициентом перегрузки л= 1). Значения динамических нагрузок обычно даются заводом-изготовителеМ в техническом задании на проектирование фундамента. При отсут­ ствии данных динамические нагрузки допускается определять по указаниям СНиП 2.02.05 — 87 «Фундаменты машин с динамичес­ кими нагрузками».

В: соответствии с общими правилами основания и фундаменты под машины рассчитываются по двум группам предельных состоя­ ний. По первой группе (по несущей способности) во всех случаях производится проверка среднего статического давления под подо­ швой фундамента на естественном основании или расчет несущей способности свайного фундамента, а также выполняется расчет прочности отдельных элементов конструкции фундамента. Расчеты по второй группе (по деформациям) включают сопоставление на­ ибольшей амплитуды колебаний фундамента с предельно допусти­ мой для данного типа машин и, если это требуется по техническим условиям (например, для фундаментов турбоагрегатов), определе­ ние неравномерных осадок, прогибов, кренов и т. п. и их сопостав­ ление с предельными значениями, устанавливаемыми проектом.

При проектировании машин и оборудования с динамическими нагрузками применяют как фундаменты неглубокого заложения, так и свайные фундаменты. Фундаменты могут быть монолитные, сборно-монолитные й сборные. Форма и размеры фундаментов определяются особенностями оборудования и уточняются расче­ том/

В практике часто применяют следующие; три конструктивных

460