книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

ритов здания — длины и высоты. Ожидаемая степень повреждения каменных зданий характеризуется показателем суммарной де­ формации, определяемым по формуле

где А/, и А4 — компоненты суммарных деформаций от воздействия соответственно относительных горизонтальных деформаций и ис­ кривления земной поверхности; Z и Я — длина и высота здания.

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

Неравномерные оседания земной поверхности вызывают изгиб здания, наклоны — его крен, а горизонтальные деформации (рас­ тяжения или сжатия грунта), воздействуя на заглубленную в основа­ ние часть здания,— продольные усилия в их конструкциях, изгиба­ ющие моменты и поперечные силы. Воздействия деформаций зем­ ной поверхности на подрабатываемых территориях относятся к чис­ лу особых.

Расчетные значения деформаций земной поверхности определя­ ются умножением нормативных значений на коэффициенты пере­ грузки yf > 1 и условий работы уе<1, принимаемые по рекомен­ дациям Норм. Например, расчетные относительные горизонталь­ ные деформации вычисляют по формуле

где еа — ожидаемая (нормативная) относительная горизонтальная деформация земной поверхности; у/ — коэффициент перегрузки, принимаемый при неизвестном взаимном расположении объекта и горных выработок равным 1,2; уе— 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 АЛ и углом поворота фундамента А(р, а также от горизон­ тальных деформаций земной поверхности, вызванных перемещени­ ем фундаментов на величину А/ (рис. 16.9), однозначно суммируют­ ся. При этом из-за возникновения изгибающих моментов в уровне заделки колонн в фундаменты последние работают на внецентренную нагрузку.

491

Нормативные величины перемещений АА", Асря, АГ определяют по формулам

где х„ и x„_i — расстояния до л-й и (л—1)-й колонн от центральной оси отсека, блока пространственной устойчивости или центральной колонны; R и вк— прогнозируемые деформации земной поверх­ ности на участке строительства.

Расчетные величины Aft, А<р и А/ определяются умножением нормативных значений перемещений на коэффициенты yf и уе.

Расчетные характеристики грунтов. Расчетные значения про­ чностных и деформационных характеристик грунтов для опреде­ ления усилий от деформаций земной поверхности принимаются равными нормативным (у*= 1). Для зданий с жесткой конструктив­ ной схемой при определении расчетных сопротивлений грунтов основания коэффициент условий работы ул принимается по табл. 16.6.

Т аб л и ц а 16.6. Коэффициент условий р а б о т усг

Коэффициент ус2 для сооружений с жесткой

Грунты конструктивной схемой при отношении длины сооружения или отсека к его высоте L j H

Примечание. В остальных случаях следует принимать уд = 1.

Принципы проектирования и защитные конструктивные меропри­ ятия. Здания и сооружения для строительства на подрабатываемых территориях могут проектироваться по жесткой, податливой или комбинированной конструктивным схемам.

При проектировании по жесткой схеме расчет конструкций вы­ полняют по первой группе предельных состояний. В основе лежит обеспечение прочности и жесткости всех несущих элементов зданий, в том числе фундаментов, при воздействии дополнительных усилий, вызванных сдвижениями земной поверхности. При этом в конструк-

492

достаточные для возможно­ сти ее смещения вслед за перемещениями основания без появле­

ния в конструкциях значительных усилий. Для этого в конструк­ циях этой части зданий применяют швы скольжения, наклоняю­ щиеся фундаменты. Допускается использование ослабленных _ограждающих конструкций, которые могут быть впоследствии за­ менены.

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 решения 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, перек­ рестных лент, балок-стенок (в основном на территориях I и 1, к групп).

493

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 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, а по подошве фундаментов — пояс для восприятия уси­ лий 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.

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 ничьим 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 F„ свай всех видов, работа­ ющих на сжимающую нагрузку, при подработке территории следу­ ет определять по формле

4 9 4

где Ус, — 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 у„=1; дня висячих свай в фундаментах податливых зданий и сооружений — 0,9; для висячих свай в . фундаментах жестких зданий и сооружений— 1,1; Fd— несущая способность сваи, определенная расчетом или по резуль­ татам полевых исследований (см. гл. 11).

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

В заключение следует отметить эффективность применения дру­ гих мероприятий, способствующих безаварийному освоению подра­ батываемых территорий. К ним можно отнести целесообраз­ ную планировку кварталов и сетей улиц городов, архитектуру от­ дельных зданий и сооружений. Снижение деформаций земной поверхности может быть достигнуто использованием горных

495

мер защиты, включающих закладку выработанного пространст­ ва породой, применение специальных способов отработки пла­ стов.

ГЛАВА 17

ФУНДАМЕНТЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

17.1. Особенности динамических воздействии на сооружения и грунты основания

Динамические нагрузки. Динамические воздействия на сооруже­ ния и грунты основания могут быть вызваны различными причи­ нами: технологией ведения строительных работ (уплотнение грун­ та трамбовками, вибраторами; забивка свай и шпунта и т. п.); технологическими или эксплуатационными условиями (движе­ ние неуравновешенных масс стационарно установленных машин и оборудования; движение наземного и подземного транспорта и т. д.); локальными природными или инженерно-геологическими процессами, включая последствия хозяйственной деятельности че­ ловека (порывы ветра; удары волн; карстовые провалы; обвалы; откачка больших масс воды или нагнетание под большим давлени­ ем масс воды в глубокие скважины; создание крупных водохрани­ лищ в горно-сейсмических районах, мощные взрывы и т. д. и т. п.); современными тектоническими движениями, происходящими в верх­ ней части земной коры и проявляющимися на ее поверхности (зем­ летрясения).

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); ударны е (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-

496

ние вибрационных и удар­ ных нагрузок. Локальные инженерно-геологические

Динамические нагрузки могут различаться по инте­ нсивности (слабые, силь­ ные и сверхсильныс) и по времени действия (кратко­ временные и длительные). Они по-разному будут воз­ действовать на сооружение и грунты основания.

Виды и характеристики колебаний. Если к сооруже­

нию приложить кратковременную нагрузку, вызывающую его ко­ лебания, то колебательные движения сооружения будут продо­ лжаться и после ее устранения. Такие колебания называют сво­ бодными или собственными. Характеристики собственных ко­ лебаний определяются параметрами сооружения (массой и же­ сткостью конструкции, видом фундамента). С течением времени из-за вязкого сопротивления воздуха и особенно грунтов основания произойдет рассеивание (диссипация) энергии первоначального импульса, поэтому свободные колебания будут затухающими.

Если же сооружение или основание в процессе колебания будет все время находиться под действием возмущающих сил, то такие колебания называют вынужденными. Они не затухают в течение всего времени действия сил. Характеристики вынужденных колеба­ ний зависят как от параметров колеблющейся системы, так и от закона изменения возмущающих сил.

Поскольку в расчетах фундаментов на динамические воздей­ ствия большое значение имеют характеристики колебаний, при­ ведем основные понятия, подробно рассматриваемые в курсе фи­ зики. П ериодическими называют незатухающие колебания, опи­ сываемые функцией Z(t)= Z (t+ K T ) (рис. 17.2, а, б). Если пери­ одические колебания могут быть записаны' по закону синуса или косинуса, например Z (/)=a sin (сон-у), то их называют гарм они ­ ческими (рис. 17.2, а). Периодом колебания Т называют интервал времения, за который система совершает один цикл колебаний, возвращаясь в исходное состояние; частотой колебании / — коли­ чество циклов колебаний за единицу времени. За единицу частоты гармонических колебаний принимается герц (Гц), равный одному циклу колебаний в секунду. Величину отклонения колеблющейся

497

ний точек системы. 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.

Впрактике 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-

498

росшей интенсивности его движения. Эти процессы связаны с явле­ нием виброком прессии — 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 виброползучести. 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 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 разж и­ жение (тиксотропия) грунта. Разжижение свойственно и водона­ сыщенным песчаным грунтам различной крупности, особенно пыле­ ватым и мелким. В зависимости от интенсивности и продолжитель­ ности динамического воздействия разжижение может сопровож­ даться 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 со­ оружений, чувствительных к неравномерным деформациям, осо­ бенно располагаемых на водонасыщенных мелких и пылеватых песках и глинах, необходимо учитывать дополнительные осадки,

499

возникающие в результате действия длительных динамических на­ грузок. Землетрясения, вызывая очень сильный по величине, но кратковременно действующий импульс, могут привести к разруше­ нию основания, однако не будут вызывать значительного допол­ нительного уплотнения грунта.

Динамика сооружений н динамика грунтов. Даже приведенные выше краткие сведения позволяют заключить, что поведение соору­ жений н 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. Р1сторическн 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 и явления, проис­ ходящие в грунтах при динамических воздействиях.

17.2.Фундаменты под машины и оборудование

сдинамическими нагрузками

Основные положения. Существует огромное разнообразие типов машин и оборудования, передающих через фундамент динамичес­ 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 «маптины — 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 п= 1). Значения

500