книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Тогда расчетное значение вертикальных колебаний фундамента при £=0,5 для штамповки стальных изделий будет равно

(1+0,5)8,95 5

=0,00116 м=1,16 мм.

°Z~ (1 +1,67 • 0,41)51,8 • 668,2

Предельно допустимое значение амплитуды колебаний для кузнечных молотов по СНиП 2.02.05 — 87 <>„=1,2 мм, т. е. а1<д„.

Таким образом, принятые размеры фундамента проходят как по несущей способ­ ности, так и по деформациям.

Влияние динамических воздействий на дополнительные осадки фундаментов. Наиболее распространенные на практике задачи сво­ дятся к двум случаям:

1)определение дополнительных осадок фундаментов машин

иоборудования с динамическими нагрузками;

2)определение безопасного расстояния от источников колебаний до фундаментов зданий и сооружений.

Впервом случае принимается, что если в основании фундамента залегают песчаные грунты, степень плотности которых меньше

максимального ее значения, а ускорения колебаний т/, возникающих в грунте от действия диамической нагрузки, превышают критичес­ кие rjtp для данного грунта, будет развиваться виброкомпрессия, приводящая к доуплотнешио грунта до максимального значения степени плотности. Расчет осадки от виброуплотнения производит­ ся по схеме на рис. 17.7, предложенной О. А. Савиновым на основе метода послойного суммирования.

Полагают, что ускорение колебаний ц в неводонасыщенных песках убывает по глубине согласно уравнению

где г}о=асо — ускорение колебаний на уровне подошвы фундамента (а — амплитуда, со — частота колебаний в том же уровне); /? — коэффициент затухания колебании, принимаемый для песчаных грунтов равным 0,07...0,10 м -1; z — глубина от подошвы фунда­ мента.

Значения критических ускорений ffo грунта в зависимости от его плотности и вертикальной нагрузки на данной глубине определяют опытным путем по виброкомпрессионным кривым (П. Л. Иванов, 1991). Нижнюю границу сжимаемой толщи определяют глубиной точки пересечения кривых IJ (Z ) и ^ (z). Тогда максимальная осадка виброкомпрессионного уплотнения грунта будет равна

511

1 $[1+05-1)2]+ (й’-ИК/зйЗ (17.19)

где do — амплитуда соответствующих колебаний на подошве фун­ дамента источника колебаний; S=rjr0, где r0= y/A jn — приведенный

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-

где А, — 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 проектированийфундаментов зданий и сооружений, чувствительных к неравномер­ ным осадкам и динамическим нагрузкам, среднее давление под

512

подошвой фундамента на естественном основании должно удовлет­ ворять условию

где уе\ — коэффициент условий работы грунтов основания [см.

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

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 задавлива-

17.3. Фундаменты в условиях сейсмических воздействий

Основные сведения. 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 распространении; 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 нее они затухают быстрее и основную опасность представляют горизонтальные колебания.

Опасные в сейсмическом отношении районы расположены вдоль южной границы СНГ от Карпат, включая Крым, Кавказ, Среднюю Азию и Забайкалье, до Приморья и Сахалина, распространяются на Якутию, Магаданскую область, Камчаткой Алеутские острова.

На строительство в сейсмических районах, по данным В. А. Ильи­ чева, приходится около 25% капитальных вложений, причем доля

с интенсивностью сейсмическо­ го воздействия не более 9 баллов, и, как исключение, на площадках с сейсмичностью более 9 баллов. При силе землетрясения менее 7 баллов основания можно проектировать без учета сейсмических воздействий.

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 строительства зависит как от сейсмичности района, в котором она находится, так и от вида и состояния слагающих ее грунтов (табл. 17.2).

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 сильновыветрелые 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 силь­ новыветрелые (кроме отнесенных к 1 категории); пески гравелистые

514

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

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 опроки­ дываться при действии на эту конструкцию кроме обычных нагру­ зок инерционных (сейсмических) сил, возникающих при землетрясе­ нии.

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 про­ чность 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 безопасно­ сти людей и сохранности оборудования, поэтому деформации

515

основания могут превышать предельные значения и при особом сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий не рассчиты­ ваются.

Глубина заложения фундаментов при грунтах I и II категорий по сейсмическим свойствам принимается такой же, как и для несейс­ мических районов. При грунтах III категории рекомендуется при­ нимать специальные меры для улучшения основания (водопонижение, искусственное упрочнение грунтов). Для зданий повышенной этажности (более 5 этажей) рекомендуется увеличивать глубину заложения фундаментов устройством подвальных этажей. При этом целесообразно располагать подвалы под всеми отсеками сооруже­ ния.

Следует иметь в виду, что площадки строительства с крутизной склонов более 15°, близостью плоскостей сбросов, сильной нарушенностью пород физико-геологическими процессами, просадочностью грунтов, осыпями, обвалами, плывунами, оползнями, карс­ том, горными выработками, селями являются неблагопроиятными 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.

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; eq— сейсмический коэффициент усло­ вий работы, принимаемый равным 1,0; 0,8; 0,6 для грунтов I, II и III категорий по сейсмическим свойствам, причем для сооружений, возводимых в районах с повторяемостью землетрясений 1, 2 и 3, значение уе>е, следует умножать на 0,85; 1,0 и 1,15 соответственно; уп— коэффициент надежности по назначению сооружения, прини­ маемый в соответствии со СНиП 2.02.01 — 83* равным 1,2; 1,15; 1,10 для сооружений I, И и III классов; FUi ед— вертикальная состав­

ляющая силы предельного сопротивления основания при сейсмичес­ ком 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.

S16

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания Fu,eq определяют с учетом следующих предпосылок. Счи­ тают, что при расчете несущей способности нескальных основа­ ний, испытывающих сейсмические колебания, ординаты эпюры предельного давления по краям подошвы фундамента (рис. 17.9) равны

где £ , £, £ — коэффициенты формы фундамента в плане, определя­ емые как

(/ — длина фундамента в направлении, перпендикулярном расчет­ ному); Ф], Ф2, Ф3 — коэффициенты несущей способности, зависящие от расчетного значения угла внутреннего трения <р, определяемые по графикам на рис. 17.10; у' 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; — 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) Фг<Кея<Ьг, то следует принимать рь=Ро-

Формулы (17.25) применимы при условии 1^£//^=0,2. Если £//<0,2, то фундамент следует рассчитывать как ленточный, тогда £ = £ = £ = 1 . При £//>1 применяют следующие значения коэффи­ циентов: £=2,5; £=1,3; £=0,75, однако при этом необходимо произвести дополнительную проверку устойчивости основания в поперечном направлении.

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания FUt^ определяют в,зависимости от соотношения величин эксцентриситетов расчетной нагрузки е и эпюры предельного давле­

В свою очередь, значения соответствующих эксцентриситетов рассчитывают по формулам

_ Ь(рь-р о )

(17.29)

б(Ръ+Ро)’

где F л М — вертикальная составляющая расчётной нагрузки и мо­ мент, приведенные к подошве фундамента при особом сочетании нагрузок. Величины е и е„ 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>Ь16). 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 пре­

дельного сопротивления основания FUt tq должна вычисляться для условной ширины подошвы фундамента, равной размеру сжатой зоны bc= l,5(b—2e). Тогда максимальное краевое давление под подошвой фундамента с учетом его неполного опирания на грунт должно соответствовать условию

518

IF

Щ Ц 2 -е )

где b/6<e<bj3; pbопределено по формуле (17.24), но для фундамен­ та, имеющего условную ширину Ьс. Остальные обозначения те же. При этих условиях формула (17.27) приобретает вид

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„в фор­ муле (17.22) принимается равным 1,5.

■ Пример 17.2. Прн определении предварительных размеров ленточного фун­ дамента на основное сочетание нагрузок была получена ширина подошвы фундамен­ та А=4,0 м при глубине заложения </=2,5 м. Основанием служат пылеватые пески средней плотности, маловлажные, со следующими расчетными характеристиками: у=15,5 кН/м3; р = 2 5 е; с= 5 кПа; удельный вес насыпного грунта выше подошвы фундамента / = 12,5 кН/м3. При особом сочетании нагрузок с учетом сейсмического воздействия интенсивностью 8 баллов и повторяемостью землетрясений 2 на подо­ шву фундамента действуют: вертикальная нагрузка F= 1030 хН/м, горизонтальная нагрузка Г=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 Фх=10,0; Фг=7,1; Фз=15,0; принимаем А,?=0,2. Для ленточного фундамента £ , = & . = 1 - Определим по формулам (17.23) и (17.24) значения ординат эпюры предельного давления: ро=1Ю ,012,5,2,5+1 х

х(10,0-1)• (5/0,47)=408,2 кПа; р ь= 408,2 + 1 • 15,5-4,0*(7,1 -0,2■ 15)=662,2 кПа. Эксцентриситеты расчетной нагрузки и эпюры 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 е> еи, предельное сопротивление основания определяют по формуле (17.27):

Принимая ус, с?=0,8; уп = 1,2, по формуле (17.22) получим

519

0,8-1311,2

F = 1030> -----— -----=874,1 кН/м.

Тахиы образом, при ширине фундамента 6=4,0 м несущая способность основа­ ния при сейсмическом воздействии не обеспечена. Требуется увеличитьширину фундамента. Повторяем тот же расчет при 6=4,5 м. В конечном счете получаем

0,8 1635,5

Следовательно, при заданных условиях ширина фундамента 6=4,5 м обеспечива­ ет достаточную надежность основания по несущей способности.

Проверка на сдвиг фундамента поподшве в соответствии с общими требовани­ ями при уя- 1,5 для данного случая будет иметь вид

Т = 125<— —F tg р = — 1030• 0,47 =258,2 кН/м. Уп 1,5

Постольку Г = 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 тугопласгичные глинистые грунты. Опйрание нижних концов свай на рыхлые водонасыщенные пески, глинистые грунты мягкопласгичной, 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 гл ин и с ты х грунтах при диаметре свай не менее 40 см и отно­ шении их длины к диаметру не более 25. При этом необходи­ мо вести строгий контроль за качеством изготовления свай. Ар­ мирование набивных свай является обязательным условием их при­ менения.

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-

520