книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

деляют глубиной точки пересечения кривых r\(z) и щжр(г). Тогда максимальная осадка виброкомпрессионного уплотнения грунта бу­ дет равна

где ht — толщина элементарного слоя грунта; е0— коэффициент пористости грунта в естественных условиях; е' — то же, при мак­ симальном уплотнении.

Во втором случае исходят из анализа распространения колеба­ ний в окружающем грунте от действия источника колебаний. Амп­ литуду вертикальных (или горизонтальных) колебаний as в точке поверхности грунта, удаленной от оси источника колебаний на расстояние г, можно определить по приближенной формуле

где а0— амплитуда соответствующих колебаний на подошве фун­ дамента источника колебаний; 5=г/г0, где r0=y/Ajn — приведен­ ный радиус подошвы фундамента источника колебаний.

Недостаток формулы (17.19) заключается в том, что в ней не учитываются свойства грунта (его плотность, влажность), характер динамического воздействия и ряд других факторов.

Зная величину а„ можно определить скорость колебаний в точке поверхности грунта, удаленной на расстояние г от источника коле­ баний:

(17.20)

где Xs — угловая частота вынужденных (для машин с периодичес­ кими) или собственных (для машин с' импульсными нагрузками) колебаний.

Если скорость колебаний в зоне, в которой расположен фун­ дамент проектируемого здания или сооружения, не превышает 15 мм/с в случае источника импульсного или 2 мм/с — периодического действия, влиянием колебаний на несущую способность грунтов основания пренебрегают. В противном случае при проектировании фундаментов зданий и сооружений, чувствительных к неравномер­ ным осадкам и динамическим нагрузкам, среднее давление под подошвой фундамента на естественном основании должно удовлет­ ворять условию

формулу (17.1)]; R — расчетное сопротивление грунта, определя­ емое по формуле (9.5).

471

Рассмотренное явление связано, в частности, с некоторыми тех­ нологическими условиями строительства. Так, Б. И. Далматов при­ водит данные ВНИИГС, по которым не рекомендуется для слабых грунтов Санкт-Петербурга забивать сваи на расстоянии менее 20 м от существующих зданий, а следует переходить к их задавливанию.

17.3. Фундаменты в условиях сейсмических

воздействий

Основные сведши. Землетрясения возникают из-за очень быст­ рого освобождения огромной энергии в гипоцентре, расположенном на глубинах в десятки и сотни километров. От гипоцентра во всех направлениях распространяются упругие колебания, характеризу­ емые сейсмическими волнами (рис. 17.8). Различают: продольные волны, вызывающие сжатие и растяжение горных пород в направле­ нии их распространения; поперечные, вызывающие деформации сдвига, и поверхностные (волны Рэлея), приводящие к наиболее сильным колебаниям поверхностного слоя земли. Максимальные амплитуды колебаний возникают в эпицентре — точке поверхно­ сти, непосредственно расположенной над очагом землетрясения.

Распространяясь в земной коре, эти волны претерпевают на границах слоев разной плотности преломление, отражение, по-раз­ ному затухают с увеличением расстояния от гипоцентра, поэтому траектория движения точек поверхности земли во время землетря­ сения имеет очень сложный характер.

Поверхность земли при землетрясении испытывает горизонталь­ ные и вертикальные колебания. Вертикальные колебания существен­ ны для сооружений вблизи зоны эпицентра. По мере удаления от

472

женин, причем доля стоимости фундаментов в этих районах от­ носительно выше, чем у аналогичных сооружений в несейсмических районах. ^

Для оценки мощности сейсмического воздействия и для правиль­ ного выбора антисейсмических мероприятий в строительной прак­ тике пользуются шкалой землетрясений, определяемой балльно­ стью территории или строительной площадки. Сила землетрясений оценивается по 12-балльной шкале. Строительство сооружений раз­ решается только в районах с интенсивностью сейсмического воздей­ ствия не более 9 баллов и, как исключение, на площадках с сейсмич­ ностью более 9 баллов. При силе землетрясения менее 7 баллов основания можно проектировать без учета сейсмических воздейст­ вий.

Карты сейсмического районирования территории бывшего

СССР приведены в приложении к СНиП II-7 — 81 «Строительство в сейсмических районах». Там же приводятся данные о повторя­ емости землетрясений, которые необходимо учитывать при проек­ тировании. Сейсмичность определенной площадки стороительства зависит как от сейсмичности района, в котором она находится, так и от вида и состояния слагающих ее грунтов (табл. 17.2).

Таблица 17.2. Севашвчвость строительвой площадкв

Категория грунта по сейсми­ Сейсмичность площадки строительства при сейсмичности района,

К первой категории относят: скальные грунты всех видов (в том числе вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие), невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлаж­ ные; выветрелые и шльновыветрелые скальные и нескальные веч­ номерзлые грунты при температуре —2° С и ниже при строительст­ ве и эксплуатации по принципу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии (принцип I).

Ко второй категории — скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые (кроме отнесенных к I категории); пески гравелистые крупные и средней крупности плотные и средней плотности мало­ влажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем конси­ стенции IL4:0,5 при коэффициенте пористости е<0,9 для глин и суг­ линков и е<0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при температуре выше —2° С при строительстве и эксплуатации по принципу I.

К третьей категории — пески рыхлые независимо от крупно-

473

сти и влажности; пески гравелистые, крупные и средней крупности, мелкие и пылеватые, не вошедшие во II категорию; глинистые грунты, также не вошедшие во II категорию; вечномерзлые нескаль­ ные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу допуще­ ния оттаивания грунтов основания (принцип II).

При определенных условиях (неоднородный состав грунтов, осо­ бая ответственность сооружения и др.) сейсмичность площадки может быть повышена в соответствии с указанием СНиПа.

Основные положения расчета и проектирования сейсмостойких

фундаментов. Сейсмостойкостью называется способность конструк­ ции не разрушаться, не терять устойчивость формы и не опрокиды­ ваться при действии на эту конструкцию кроме обычных нагрузок инерционных (сейсмических) сил, возникающих при землетрясении.

Фундаменты в этих условиях играют двоякую роль. Во-первых, они передают на сооружение колебания грунта, т. е. являются источником колебаний строительных конструкций, а возникающие при этом силы инерции и создают так называемую сейсмическую нагрузку. Во-вторых, фундаменты, являясь частью сооружения, должны воспринимать без разрушения сейсмическую нагрузку и пе­ редавать ее на основание, обеспечивая общую устойчивость и проч­ ность системы «сооружение — основание».

В соответствии с этим СНиП 2.02.01 — 83 предусматривает, что проектирование оснований с учетом сейсмических воздействий должно выполняться на основе расчета по несущей способности на особое сочетание нагрузок и воздействий. Предварительные раз­ меры фундаментов допускается определять расчетом основания по деформациям на основное сочетание нагрузок, предусмотренным главой «Основания зданий и сооружений» СНиП 2.02.01 — 83 без учета сейсмических воздействий.

Расчет по несущей способности оснований производится для обеспечения прочности скальных и устойчивости нескальных грун­ тов, а также для исключения сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Выполнение этого расчета обеспечивает сохран­ ность строительных конструкций, выход которых из строя угрожает обрушением здания или его частей. В то же время допускаются повреждения элементов конструкций, не угрожающие безопасности людей и сохранности оборудования, поэтому деформации основа­ ния могут превышать предельные значения и при особом сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий не рассчитываются.

ч. Глубина заложения фундаментов при грунтах I и II категорий по сейсмическим свойствам принимается такой же, как и для несей­ смических районов. При грунтах III категории рекомендуется прини­ мать специальные меры для улучшения основания (водопонижение, искусственное упрочнение грунтов). Для зданий повышенной этаж­ ности (более 5 этажей) рекомендуется увеличивать глубину заложе­ ния фундаментов устройством подвальных этажей. При этом целе­ сообразно располагать подвалы под всеми отсеками сооружения.

474

Следует иметь в виду, что площадки строительства с крутизной склонов более 15°, близостью плоскостей сбросов, сильной нарущенностью пород физико-геологическими^процессами, просадочностью грунтов, осьшями, обвалами, плывунами, оползнями, кар­ стом, горньши выработками, селями являются неблагоприятными в сейсмическом отношении. При необходимости строительства на таких площадках следует принимать дополнительные меры к укре­ плению грунтов и усилению конструкций сооружений.

При строительстве в сейсмических районах применяются как фундаменты на естественных основаниях, так и свайные фундамен­ ты. Ниже рассматриваются основные положения расчета примени­ тельно к фундаментам на естественных основаниях. у

Фундаменты неглубокого заложения. Расчет несущей способности основания фундамента неглубокого заложения производится исходя из условия

где F — вертикальная составляющая расчетной внецентренной на­ грузки в особом сочетании; yCi eq— сейсмический коэффициент

условий работы, принимаемый равным 1 ,0; 0,8; 0 ,6 для грунтов I, П и ПГ категорий по сейсмическим свойствам, причем для сооруже­ ний, возводимых в районах с повторяемостью землетрясений 1 , 2 и 3, значение yCl eqследует умножать на 0,85; 1,0 и 1,15 соответст­

венно; у„— коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый в соответствии со СНиП 2.02.01 — 83 равным 1,2; 1,15; 1,10 для сооружений I, П и П1 классов; Fu щ— вертикальная

составляющая силы предельного сопротивления основания при сей­ смическом воздействии.

Для ленточных фундаментов нагрузку и предельное сопротивле­ ние основания, как обычно, рассчитывают для единицы их длины

(/=!)•

Величину F определяют в соответствии с требованиями СНиП 2.02.07 — 85.

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания Fu eq определяют с учетом следующих Предпосылок.

Считают, что при расчете несущей способности нескальных основа­ ний, испытывающих сейсмические колебания, ординаты эпюры предельного давления по краям подошвы фундамента (рис. 17.9)

475

где £9, £CJ — коэффициенты формы фундамента в плане, опреде­ ляемые как

(/ — длина фундамента в направлении, перпендикулярном расчет­ ному); Ф1з Ф2, Ф3 — коэфициенты несущей способности, зависящие от расчетного значения угла внутреннего трения <р, определяемые по графикам на рис. 17.10; 7 ' и у — соответственно расчетные значения удельного веса слоев грунта выше и ниже подошвы фун­ дамента; d — минимальная глубина заложения фундамента; с — расчетное значение удельного сцепления; Кед— коэффициент, при­

нимаемый равным 0,1; 0,2; 0,4 при сейсмичности площадки стро­ ительства 7, 8 и 9 баллов соответственно. Если в формуле (17.24) Ф2 < ^ 9Ф3, то следует принимать рь=р0-

Формулы (17.25) применимы при условии 1>6//>0,2. Если bjl< 0 ,2 , то фундамент следует рассчитывать как ленточный, тогда £у=1- При b/l> 1 применяют следующие значения коэф­ фициентов: £?=2,5; £с=1,3; £,,=0,75, однако при этом необходимо произвести дополнительную проверку устойчивости основания

в поперечном направлении.

476

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления

.основания Fu щопределяют в зависимости от соотношения величин

эксцентриситетов расчетной нагрузки е и эпюры предельного давле­ ния еи(рис. 17.9):

В свою очередь, значения соответствующих эксцентриситетов рассчитывают по формулам

Ь(Рь-Ро)

(17.29)

6(рь+РоУ

где F и М — вертикальная составляющая расчетной нагрузки и мо­ мент, приведенные к подошве фндамента при особом сочетании нагрузок. Величины е и еи рассматриваются с одинаковым знаком, так как при этом имеет место наиболее невыгодное для несущей способности основания сочетание действующих нагрузок.

При действии моментных нагрузок в двух направлениях расчет основания по несущей способности должен выполняться раздельно на действие сил и моментов в каждом направлении независимо друг от друга.

При расчетах оснований и фундаментов с учетом сейсмических воздействий допускается частичный отрыв подошвы фундамента от Грунта, т. е. выход равнодействующей за пределы ядра сечения (е>6/6). При этом в плоскости действия момента требуется выпол­ нение следующих условий: эксцентриситет расчетной нагрузки не

должен превышать - ширины фундамента, т. е. е^Ь/3; сила предель­

ного сопротивления основания FUj eqдолжна вычисляться для усло­

вной ширины подошвы фундамента, равной размеру сжатой зоны Ьс= 1,5 (Ь—2е). Тогда максимальное краевое давление под подо­ швой фундамента с учетом его неполного опирания на грунт долж­ но соответствовать условию

где bj6<e<bf3\ рь определено по формуле (17.24), но для фундамен­ та, имеющего условную ширину Ьс. Остальные обозначения те же. При этих условиях формула (17.27) приобретает вид

477

Горизонтальная составляющая нагрузки учитывается лишь при проверке устойчивости зданий на опрокидывание и, сдвиг по подо­ шве фундамента, что почти всегда удовлетворяется. Проверка на сдвиг по подошве является обязательной при наличии действующих горизонтальных нагрузок в основном сочетании (подпорные стенки, глубокие подвалы и т. п.). В этом случае учитывается только трение подошвы фундамента о грунт, а коэффициент надежности у„

вформуле (17.22) принимается равным 1.5.

■Пример 17.1 При определении предварительных размеров ленточного фундамента на основное сочетание нагрузок выла получена ширина подошвы фундамента А=4,0 м при глубине заложения d = 2,5 м. Основанием служат пылева­ тые пески средней плотности, маловлажные, со следующими расчетными харак­

с учетом сейсмического воздействия интенсивностью 8 баллов и повторяемостью землетрясений 2 на подошву фундамента действуют: вертикальная нагрузка /= 1030 кН/м, горизонтальная нагрузка Т = 125 кН/м и момент М =600 кН‘М. Требуется проверить принятые размеры фундамента и в случае необходимости определить новые.

По графикам на рис. 17.10 определяем Ф, =10,0; Ф2=7,1; Ф3 = 15,0; Принимаем 0,2. Для ленточного фундамента £?= £ с= £?= 1. Определим по формулам (17.23)

Эксцентриситеты расчетной нагрузки в эшоры предельного давления на основа­ ние определяем по формулам (17.28) и (17.29):

Поскольку е = 0,58 <6/6=0,67, подошва фундамента опирается на грунт полно­ стью.

Так как e>exh предельное сопротивление основания определяют по формуле

Принимая уС| ч =0,8; у„= 1,2, по формуле (17.22) получим

0,8 ■1311^2 .

F= 1030>— — — =874,1 кН/м.

1Я2

Таким образом, при ширине фундамента А=4,0 м несущая способность основа­ ния при сейсмическом воздействии не обеспечена. Требуется увеличить ширину фундамента. Повторяем тот же расчет при А=4,5 м. В конечном счете получаем

Следовательно, при заданных условиях ширина фундамента А=4,5 м обеспечива­ ет достаточную надежность основания по несущей способности. .

478

Проверка на сдвиг фундамента по подошве в соответствии с общими требовани­ ями при у„= 1,5 для данного случая будет иметь вид

Ус. сч "os

Т= 125 < ------Ftg<p=— 1030- 0,47 = 258,2 кН/м.

Уп 1,5

Поскольку Т - 125 <258,2 кН/м, устойчивость фундамента на сдвиг обеспечена.

Свайные фундаменты. Область применения свайных фундамен­ тов в сейсмических районах в основном та же, что и в обычных условиях. При проектировании фундаментов нижние концы свай следует опирать на скальные и крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности песчаные грунты, твердые, полутвердые и туго­ пластичные глинистые грунты. Опирание нижних концов свай на рыхлые водонасыщенные пески, глинистые грунты мягкопластич­ ной, текучепластичной и текучей консистенции не допускается.

Заглубление свай в грунт должно быть не менее 4 м, за исключе- ‘ нием случаев их опирания на скальные грунты.

Набивные сваи в сейсмических районах устраивают в маловлаж­ ных глинистых грунтах при Диаметре свай не менее 40 см и отноше­ нии их длины к диаметру не более 25. При этом необходимо вести строгий контроль за качеством изготовления свай. Армирование набивных свай является обязательным условием их применения.

Свайные фундаменты рассчитывают по предельным состояниям первой группы на особое сочетание нагрузок. Однако определение несущей способности сваи на вертикальную нагрузку должно учи­ тывать сложные процессы, возникающие на контакте между сваей и грунтом при воздействии сейсмического импульса. Из-за совпаде­ ния колебаний грунта и сооружения на некотором расстоянии от подошвы ростверка между сваей и грунтом возникает зазор, снижа­ ющий несущую способность сваи. На оставшейся длине сваи вслед­ ствие прохождения сейсмических волн происходит уменьшение сил трения грунта по боковой поверхности. Уменьшается также и лобо­ вое сопротивление грунта под острием сваи, поэтому несущая спо­ собность свайного фундамента при учете сейсмического воздейст­ вия может оказаться значительно меньше, чем при статических нагрузках.

Кроме того, производится обязательный расчет сваи на горизон­ тальную составляющую сейсмической нагрузки. Соответствующие методики расчета приведены в главе СНиП 2.02.03 — 85 «Свайные фундаменты».

Особености конструирования сейсмостойких фундаментов. Основ­ ные требования к конструированию фундаментов в сейсмических районах заключаются в применении мероприятий, повышающих жесткость сооружений. Поскольку столбчатые фундаменты облада-' ют меньшей устойчивостью, для зданий повышенной этажности (более 5 этажей) целесообразно применять ленточные, перекрестные и сплошные плитные фундаменты. Стыки перекрестных фундамен-

479

ряду, а также во всех углах и пересечениях. Глубина перевязки

блоков принимается не менее - их высоты. Все вертикальные и го­

ризонтальные швы необходимо тщательно заполнять раствором марки не ниже 25. В зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов углы и пересечения стен должны быть усилены путем закладки в горизонтальные швы арматурных сеток.

По верху сборных ленточных фундаментов и фундаментных плит следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм с продольной арматурой диаметром 10 мм в количест­ ве, зависящем от расчетной сейсмичности. Через 300...400 мм про­ дольные стержни должны быть связаны поперечными диаметром

бмм.

Впоследние годы разработаны принципиально новые решения

активной сейсмозащйты зданий и сооружений (В. С. Поляков и др., 1988). Одно из таких решений — сейсмоизолирующий скользящий пояс — заключается в устройстве специальных опор между фун­ даментом здания и сооружением с низким коэффициентом трения.

480