Петраков и др. Осн.ифунд. в СИГУ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНБАССЬКАЯ ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Кафедра "ОСНОВИ, ФУНДАМЕНТИ ТА ПІДЗЕМНІ СПОРУДИ"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З ДИСЦИПЛІНИ

ОСНОВИ ТА ФУНДАМЕНТИ СПОРУД В СКЛАДНИХ УМОВАХ

(для спеціальності: «Промислове і цивільне будівництво») № кода 1711

Склали:

д.т.н., професор Петраков О.О. д.т.н., професор Дружко Є.Б. к.т.н., доцент Шилова Н.О.

аспірант Рашевський М.В.

Затверджено на засіданні кафедри: «Основи, фундаменти та підземні споруди» ПРОТОКОЛ №1 від 01 вересня 2003р.

Зав. кафедрою Петраков О.О.

Макіївка, 2003р.

СОДЕРЖАНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1. Общая характеристика сложных условий. Деформационные воздействия.________________________________________________________4

ЛЕКЦИЯ 2. Фундаменты сооружений на подрабатываемых территориях. Исходные данные для проектирования. Кинематические схемы взаимодействия сооружений с подрабатываемым основанием. Состав горно-геологического обоснования строительства. _____________________7

ЛЕКЦИЯ 3. Принципы проектирования сооружений на подрабатываемых территориях. Принцип жёсткости. Принцип податливости. Принцип компенсации неравномерных деформаций земной поверхности. Конструктивные меры защиты сооружений. Конструкции фундаментов мелкого и глубокого заложения._____________________________________14

ЛЕКЦИЯ 4. Определение нагрузки на фундаменты подрабатываемых сооружений от вертикальных перемещений основания.________________28

ЛЕКЦИЯ 5. Определение нагрузок на фундаменты от горизонтальных деформаций земной поверхности.____________________________________32

ЛЕКЦИЯ 7. Фундаменты сооружений на просадочных грунтах. Исходные данные для проектирования. Типы грунтовых условий по просадочности.

__________________________________________________________________49

ЛЕКЦИЯ 8. Расчёт усилий, передающихся на здание при горизонтальных перемещениях. Расчёт горизонтальных перемещений поверхности при просадке грунта ___________________________________________________58

8.1РАСЧЕТ УСИЛИЙ,ПЕРЕДАЮЩИХСЯ НА ЗДАНИЯ ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЯХ 58

8.2РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ И ШИРИНЫ ОСАДОЧНЫХ ШВОВ

.....................................................................................................................................................62

ЛЕКЦИЯ 9. Конструктивные меры защиты фундаментов сооружений на просадочных грунтах. Методы устранения просадочных свойств оснований_________________________________________________________64

ЛЕКЦИЯ № 10. Фундаменты сооружений на набухающих грунтах. Методы методы расчёта и принципы проектирования_________________________77

ЛЕКЦИЯ № 11. Фундаменты сооружений на биогенных грунтах и илах 83

ЛЕКЦИЯ №12. Основания и фундаменты сооружений на элювиальных грунтах ___________________________________________________________89

ЛЕКЦИЯ № 13. Фундаменты сооружений на засоленных грунтах_______92

ЛЕКЦИЯ № 14. Фундаменты сооружений на насыпных грунтах________98

ЛЕКЦИЯ 15. Особенности строительства на закарстованных территориях

_________________________________________________________________107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ _________________________________________112

ЛЕКЦИЯ 1. Общая характеристика сложных условий. Деформационные воздействия.

(2 часа)

Опыт строительства и эксплуатации многих зданий и сооружений показывает, что при определенных инженерно-геологических условиях эти здания могут получать резко неравномерные осадки, которые приводят к их деформации и даже разрушению. Такие явления особенно часто наблюдались в районах распространения структурно-неустойчивых грунтов, а также в районах, характеризуемых наличием подрабатываемых территорий.

Нарушение структуры грунтов происходит при физических и механических воздействиях.

Косновным физическим воздействиям относятся увлажнение грунтов (лёссов и набухающих глин), оттаивание мерзлых грунтов, химическая и механическая суффозия, выветривание. Такие воздействия опасны, когда при разрушении структурных связей грунты теряют свою прочность и резко увеличивают деформативность.

Косновным механическим воздействиям относятся приложение внешней нагрузки, динамические импульсы (вибрация, колебания при ударах и др.). Особенно чувствительны к механическим воздействиям несвязные и малосвязные грунты (рыхлые пески, слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты, или заторфованные грунты и пр.).

Кмеханическим воздействиям относят также подработку территории при добыче полезных ископаемых, которая вызывает деформирование оснований сооружений, приводящее к смещениям фундаментов.

Вторичным проявлением механических воздействий являются деформационные воздействия.

Деформационные воздействия – воздействия на сооружение в виде вынужденных перемещений опорного узла конструкции. Деформационные воздействия – это принципиально новый вид воздействий на сооружение, свойственный взаимодействию основания с подземной конструкцией в особых грунтовых условиях, в отличие от обычных.

В общем случае вынужденное перемещение опорного узла конструкции можно изобразить на примере балки (рис. 1.1)

у

Рис. 1.1 Вынужденное перемещение опорного узла конструкции.

Р, М – силовые воздействия; у – вынужденное перемещение.

Деформационные воздействия изучает теория предельных состояний. Как вы знаете, расчет строительных конструкций производится по двум группам предельных состояний.

I группа – по прочности и устойчивости.

II группа – по пригодности к нормальной эксплуатации.

В свою очередь, и аварии, происходящие в строительстве также различают по двум группам предельных состояний.

Наиболее опасны аварии, относящиеся к I-ой группе. Тем не менее аварии, связанные с нарушениями при проектировании по II-ой группе часто выводят сооружения из нормального состояния.

По статистическим данным установлено, что из всех зарегистрированных на сегодняшний день аварий 10% разрушений происходят по причине потери прочности и устойчивости сооружения, т.е. по I-ой группе предельных состояний, остальные разрушения

– по II-ой группе.

Отметьте также, что в 80% случаев аварий по II-ой группе происходят из-за деформационных воздействий и 20% - происходят за счет неучтенных нагрузок, низкого класса бетона по прочности, принятого при расчете конструктивных элементов сооружения и пр.

50% аварий по I-ой группе происходят за счет дефектов при воздействии надземной части сооружения и 50% - за счет дефектов при проведении работ нулевого цикла.

В качестве примеров наиболее известных масштабных аварий можно привести следующие: авария (20 лет назад) в г. Донецке – полное обрушение 5-этажного дома, связанное с заниженным классом бетона по прочности, принятым при проектировании подземной части сооружения, а именно – фундаментов; другая громкая авария, происшедшая в г. Днепропетровске (1996 г.) в микрорайоне Тополь (рис. 1.2).

9 этажный дом

Школа

Полости за счет вымывания частиц

Днепр

Дренажные коллекторы

Рис.1.2 г. Днепропетровск. 1996 г.

Причина: механическая суффозия, свойственная, как правило, рыхлым песчаным грунтом.

Следствие – закальмотировалась нижняя часть коллекторов, что повлекло за собой прекращение дренирования → подтапливание подвальной части. Вследствие вымывания частиц грунта и образования полостей произошло разупрочнение основания, т.е. нарушение его прочностных характеристик. Результатом такого нарушения явился местный отвал под сооружением за счет сдвига микрополостей и смещение сооружения в сторону реки. В связи с этим очень кстати явился принятый закон о паспортизации зданий и сооружений.

Пизанская башня.

Особые условия строительства, при которых здания и сооружения претерпевают деформационные воздействия.

I.Подрабатываемые территории – наиболее распространенный вид сложных условий, для Донбасса. Такими условиями строительства характеризуется также Днепропетровская область, Львовско-Волынский, Луганский, Карагандинский, Кузнецкий, Челябинский угольные бассейны. Подрабатываемые территории занимают относительно небольшую площадь, однако они являются крупнейшими центрами сосредоточения тяжелой промышленности, городов и шахтных поселков. Подработка сооружений без конструктивных защитных мероприятий, наносит убытки, которые исчисляются миллионами.

II.Структурно-неустойчивые грунты – просадочные грунты (лёссы) – грунты, в которых структурные связи между минеральными частицами представлены солями. При замачивании грунтов происходит химическое растворение этих связей, следствием чего является ухудшение свойств грунта и проявление свойств

просадочности, что сопровождается дополнительными неравномерными осадками сооружений и опусканием дневной поверхности земли. Просадочные грунты, в общей сложности занимают до 80% площади Украины.

III.Групп слабых грунтов (илы, торфы). Такими грунтами сложены побережья рек и других водоемов. Наиболее распространены в Прибалтике. Основной особенностью рассматриваемых грунтов как оснований является их весьма значительная сжимаемость и малая несущая способность. Сооружения возведенные на слабых грунтах испытывают большие осадки. Известны, например, случаи осадок сооружений. Достигающих 1,5-2 м. толщина слоя грунтов зачастую достигает 30 м.

IV. Территории, потенциально опасные по суффозионным процессам. На этих территориях могут возникать карстовые провалы (Артемовск, Славянск). Суффозия – растворение вещества с образованием карста.

V.Набухающие грунты. (наибольшее распространение получили в Крыму). Также имеются в Молдове, восточной Грузии, в Казахстане и др. При замачивании – набухают даже при наличии нагрузки, что приводит к подъему сооружений, при высыхании уменьшаются в объеме и дают осадку.

VI. Вечномерзлые грунты – грунты, имеющие 0-ую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед, а также находятся в мерзлом состоянии в течение многих лет. В процессе эксплуатации элементы, слагающие указанные грунты, подвергаются фазовым переходам, связанными с термодинамическими процессами воды. Вода, содержащаяся в порах грунта при замерзании превращает грунт в твердую монолитную массу, где лед играет роль связующего материала. При этом происходит увеличение объема промерзшего грунта, так называемое морозное пучение, которое вызывает неравномерного поднятие дневной поверхности грунта.

VII. Техногенные грунты – насыпные грунты (распространены в промышленно развитых районах).

VIII. Неравномерно сжимаемые грунты – аллювиальные грунты. Эти грунты характерны тем, что процесс выветривания не завершен. Эллювиальным грунтам свойственна неоднородность сложения. В Донбассе практически все грунты эллювиальны.

ЛЕКЦИЯ 2. Фундаменты сооружений на подрабатываемых территориях. Исходные данные для проектирования. Кинематические схемы взаимодействия сооружений с подрабатываемым основанием. Состав горно-геологического обоснования строительства.

(2 часа)

Воздействия от подработки, учитываемые при проектировании зданий и сооружений, являются сдвижения и деформации земной поверхности, которые подразделяются на следующие виды (рис. 2.1а, б): оседания (мм); наклоны i (мм/м); кривизна (выпуклости,

вогнутости) (1/км) или радиус кривизны R = 1/ (км); горизонтальное сдвижение (мм);

относительная горизонтальная деформация растяжения или сжатия (мм/м); уступ высотой h (см).

Рис. 2.1 Мульда сдвижения и эпюры деформаций земной поверхности:

а, б - вертикальные разрезы соответственно по падению (вкрест простирания) и по простиранию пласта; 1 – пласт; 2 – очистная выработка; 3 – эпюры оседаний; 4 – положение земной поверхности до

подработки; 5 – эпюры кривизны; 6 – эпюры наклонов; 7 – эпюры относительных горизонтальных деформаций; 8 – эпюры горизонтальных сдвижений;

α – угол падения пласта; β0, γ0, δ0 – граничные углы сдвижения; ψ1, ψ2, ψ3 – углы полных сдвижений; θ – угол максимального оседания; ηмакс – максимальное оседание земной поверхности.

При диагональном расположении здания или сооружения относительно линии простирания пласта дополнительно следует учитывать воздействие от подработки в виде скручивания S (1/км) и скашивания (мм/м).

В случаях, предусмотренных проектом, учитывается скорость нарастания деформаций V мм/м, мес. В качестве исходных данных при проектировании зданий и сооружений на подрабатываемых территориях следует принимать максимальные ожидаемые (при имеющихся календарных планах горных работ) или вероятные (при отсутствии календарных планов работ) величины сдвижений и деформаций земной поверхности на на участке строительства в направлении вкрест и по простиранию пластов.

При погоризонтальной и панельной подготовках шахтного поля (пологое залегание) все намеченные к разработке пласты разделяются на две группы:

пласты, разрабатываемые в первые 20 лет после начала эксплуатации объекта;

пласты, разрабатываемые после 20 лет с момента начала эксплуатации

объекта.

От каждой группы пластов рассчитываются ожидаемые (вероятные) деформации. В качестве исходных данных для проектирования принимают максимальные ожидаемые (вероятные) деформации земной поверхности.

В тех случаях, когда под участком строительства горные работы планируются в сроки более, чем через 20 лет после начала эксплуатации объектов, то в качестве исходных данных для проектирования принимают вероятные деформации земной поверхности от влияния всех намеченных к разработке пластов, уменьшенных на одну группу территорий до среднего значения в соответствующей группе.

Изложенная выше методика расчета деформаций земной поверхности предполагает учет фактора времени, в частности, учет реологических процессов, развивающихся в сдвигающемся горном массиве. От группы пластов расчетные деформации в точке земной поверхности определяются алгебраическим суммированием от влияния составляющих толщу пластов. Указанное суммирование не учитывает релаксацию напряжений в грунтовом

массиве при последовательном влиянии отдельных пластов. Разделение всех намеченных к разработке пластов на две группы (в первые 20 лет и после 20 лет эксплуатации сооружения)

вкакой – то степени позволяет учесть процессы длительного деформирования грунтового массива.

При этажной подготовке шахтного поля (наклонном или крутом залегании) в качестве исходных данных для проектирования принимают максимальные деформации земной поверхности, определяемые с учетом выполнения горных работ по горизонтам от всех влияющих пластов в течение всего срока эксплуатации зданий и сооружений. Здесь имеется

ввиду, что при отработке круто залегающих пластов деформации земной поверхности непрерывно нарастают за счет необратимых сдвигов по слабым контактным зонам напластований.

Зафиксированы многочисленные нарушения типа надвигов и сбросов с амплитудой от

0,5 до 1,65 м (рис. 2.2).

Во всех случаях при прогнозе деформаций земной поверхности следует учитывать: наличие тектонических нарушений в толще горного массива; влияние старых горных выработок (рис. 2.3),

Рис 2.2 Геологический разрез вкрест простирания пластов поля шахты им. Калинина.

1, 2 – выход под насосы соответственно Кальмиусского сброса и сброса № 2; 3 – растительный слой; 4 – глинистые грунты; 5 – песчаник; 6 – сланец; 7 – уголь рабочей поверхности; 8 – уголь нерабочей

мощности; Асб – амплитуда сброса.

Рис. 2.3 Тектонических нарушений в толще горного массива

Ожидаемые (вероятные) деформации земной поверхности рассчитывают горные инженеры–маркшейдеры по методикам, изложенным в действующих инструктивно– нормативных документах.

Расчет деформаций земной поверхности является основной частью Горно– геологического обоснования строительства. Указанный документ разрабатывается и утверждается органами Госкомохрантруд в соответствии с инструкцией этого комитета. Для инженера–строителя содержащиеся в ГГО сведения о расчетных деформациях земной поверхности на площадке строительства являются исходными данными для проектирования.

Подрабатываемые территории подразделяются на группы в зависимости от значений деформаций земной поверхности (табл. 2.1).

Подрабатываемые территории, на которых при выемке пластов полезного ископаемого образуются уступы земной поверхности (рис. 2.4), следует подразделять на группы в соответствии с таблицей 2.2.