Фундаменты основных зданий и сооружений атомных и тепловых электрост
..pdfпроверке условия (11). Моменты Л4рпр, Мрд определяются от носительно центра окружности, частью которой является по верхность скольжения. Круглоцилиндричеокая поверхность скольжения предопределяет расчеты в условиях плоской де формации, при этом все величины, в том числе моменты Мрпр, Мр д = Mat должны определяться на 1 погонный метр раз: мера сооружения (фундамента) в направлении, совпадающем с направлением образующей поверхности скольжения. Для определения К3min предложены методики упорядоченного по иска наиболее опасной поверхности скольжения [10], как правило, реализованные в программах для ЭВМ. Подробные рекомендации по «технике» расчетов устойчивости методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения, необходи мые зависимости и примеры, иллюстрирующие применение метода «к фундаментам, имеются в нормативной и учебной ли тературе [8, 10, 20].
Теоретически наиболее строгими методами оценки несущей способности оснований при глубинном сдвиге являются ме тоды теории предельного равновесия (ТПР). Непосредствен ное решение задач ТПР связано со значительным объемом вычислительной работы и в основном разработано для одно родных оснований и условий плоской деформации; для про странственных схем решения ТПР отсутствуют. Заметим, что в силу принятых авторами неодинаковых допущений, в част ности, о форме упругого ядра под фундаментом, результаты решений для одного и того же основания, как правило, отли чаются. В случае практических расчетов полученные реше ния плоской задачи ТПР для величины среднего по подошве фундамента предельного давления принято представлять в
виде трехчленной зависимости |
|
рпр = NuJb = N^y\b -|- Nqq + NcCu |
(12) |
в которой Nlt Nq, Nc— коэффициенты несущей способности,, являющиеся функциями только угла внутреннего трения qpi грунта основания; q = y'\d — пригрузка, учитывающая за глубление фундамента; yi, y 'i — удельный вес грунта под по дошвой и выше ее; Nu— вертикальная составляющая предель ного давления. Для практического применения зависимости (12) многими авторами составлены графики и таблицы коэф
фициентов У\/т, Nq, Nc.
Зависимость (12) является основой расчетных фqpмул для определения несущей способности оснований фун даментов различной в плане формы путем введения дополни тельных коэффициентов эмпирического характера. В част ности, в [26] для определения в стабилизированном состоянии вертикальной составляющей предельной нагрузки на нескаль
ное основание прямоугольного в плане фундамента рекомен дуется зависимость
Nu = b'l'(N&b'vi + Ncftqy'id + NclcCi), |
(13) |
где b', / ' — приведенные ширина и длина фундамента, вычис ляемые как Ь' = Ъ— 2е&, / ' = / — 2е/, где в/ — эксцентри
ситеты |
приложенной iK подошве |
равнодействующей нагрузок |
|
в направлении ширины Ь и длины /; g7, |
— коэффициенты |
||
формы, |
зависящие от отношения |
l/Ь. |
В нормах [26] приво |
дятся таблицы для коэффициентов Nv Nq, Nc и зависимости для определения £т, lQi gc. Найденное значение Nu использу ется для оценки устойчивости отдельного фундамента ко лонны, стойки, опоры и т. п. по условию (10), которое при нимает вид Ni ^ .‘Nuyc/уп, где N\ — расчетное значение вер тикальной составляющей равнодействующей Ri внешней на
грузки на основание в уровне |
подошвы, Ni = Ri cos б, где |
|
б — угол наклона к вертикали |
равнодействующей |
Ri. Заме |
тим, что коэффициенты AfT, Nq, Nc в формуле (13) |
зависят не |
|
только от значения угла внутреннего трения фь но и от вели чины б [26].
Для определения вертикальной составляющей силы пре дельного сопротивления основания, сложенного опальными грунтами, независимо от глубины заложения фундамента в
[26] рекомендуется формула |
|
|
Nu = |
Rcb'l', |
(14) |
где Rc— расчетное значение |
предела прочности |
скального |
грунта на одноосное сжатие. |
|
|
Оценка устойчивости фундаментов выявляет возможность принятия или изменения тех конструктивных решений, кото рые определились при расчете их по деформациям. При невы полнении условий (10), (11) повысить устойчивость фунда мента колонны можно различными путями [8, 10]. В част ности, для увеличения несущей способности основания при менение находят технические предложения и мероприятия, широко используемые для уменьшения расчетных смешений и деформаций фундаментов (см, с. 19)- Таковыми: являются изменение размеров фундаментов, особенно заглуб ления подошвы, и тем самым перенос поверхности скольже ния в более прочные грунты, конструктивные и технологиче ские мероприятия по искусственному улучшению оснований, включая уплотнение, закрепление грунтов, замену слабых грунтов на более прочные, устройство распределительных по душек, в том числе из армированного грунта и др. Существен ный эффект в повышении устойчивости системы фундамент — основание за счет повышения напряжений а по подошве мо жет дать уменьшение взвешивающего действия (противодав
ления) грунтовых вод путем снижения их уровня. Для повы шения устойчивости фундаментов, воспринимающих верти кальную и горизонтальную нагрузки, НИИ оснований предло жены новые конструкции фундаментов с зубом и с наклонной подошвой, выполняемой из тощего бетона, щебня, песка [30].
В случае слабых, сильносжимаемых грунтов целесообраз ным становится использование под колонны главных корпу сов АЭС, ТЭС вместо фундаментов мелкого заложения свай ных ленточных фундаментов или свайных «кустов. Учитывая весьма редкое пока применение свайных фундаментов под главные корпуса АЭС и ТЭС, методику их расчета здесь не приводим. Требования к проектированию свайных фундамен тов являются практически одинаковыми для сооружений раз личного назначения (гражданские, промышленные, энергети ческие и т. п.) и они регламентируются [28]. Заметим, что основу норм [28] составляют принципы проектирования (рас чет по деформациям, несущей способности и др.), изложенные выше применительно к фундаментам мелкого заложения.
2.ФУНДАМЕНТЫ РЕАКТОРНЫХ ОТДЕЛЕНИЙ АЭС
Внастоящее время при проектировании АЭС применяются различные варианты расположения реакторного отделения (РО) относительно земной поверхности:
1)реактор на уровне поверхности земли или несколько
выше;
2)реактор ниже земной поверхности, однако при этом
служебные помещения находятся выше поверхности земли; 3) реактор вместе с техническими и служебными помеще ниями размещается ниже земной поверхности в подземных ка мерах, сообщающихся с поверхностью через шахты и штольни
(так называемые подземные АЭС).
Преимущество наземного размещения состоит в осуществ лении более простой конструкции, достижении меньшей сто имости и меньшем сроке строительства РО, чем в случае под земного варианта. При наземном размещении проще произ водить осмотр и ремонт, проще разместить вспомогательное оборудование вокруг реактора. Отпадает также необходи мость в сложной и дорогой гидроизоляции стен установки при наличии подземных вод. Однако при всех указанных пре имуществах наземного расположения РО авария наземного реактора будет безусловно более опасной и трудноликвидируемой, чем авария заглубленного. Подземное расположение АЭС или только реакторного отделения дает существенные преимущества перед наземным вариантом не только с точки зрения аварийных ситуаций (авария реактора, падение само-
лета, ураганы, смерчи и т. п.), но и за счет возможного зна чительного сокращения коммуникаций, особенно в случае строительства атомных станций теплоснабжения (ACT). В то же время подземное размещение АЭС по современным зарубежным оценкам может увеличить стоимость до 25% и удлинить срок строительства на 1,5—2 года. Некоторые дан ные о конструкциях осуществленных подземных АЭС и про ектных проработках последнего времени приводятся в [19]. В настоящем пособии вопросы проектирования и расчета под земных АЭС не рассматриваются. В СССР строительство подземных АЭС пока не велось.
Основным вариантом для наземного РО являются плитные фундаменты неглубокого заложения. Много реже применя-
Рис. 5. Фундамент йф = 68 м реакторного отделения: 1 и 2 — нижняя и верхняя плиты фундамента
ются свайные фундаменты, ростверк которых выполняется также в виде сплошной плиты.
Фундамент реактора в наиболее распространенных кон струкциях составляет вместе со стенами боковой защиты одну целую армированную конструкцию. При этом реактор как бы заключается в замкнутый бетонный футляр — шахту реактора. В крупных реакторных установках, как правило, устраиваются общие фундаменты-плиты под шахту реактора и окружающие его пристройки. При этом диаметр круглой плиты достигает 80 м (АЭС Хурагуа, Куба), а ширина квад ратной плиты — 70 м (Калининская АЭС) и более. Заглубле ние подошвы плиты РО принимается в зависимости от грун товых условий, и в некоторых наземных АЭС оно было зна чительным, например, на Игналинской АЭС составило 9 м.
В настоящее время для реакторных отделений в основном применяются плитные фундаменты коробчатого типа, при этом нижняя опорная (фундаментная) плита имеет толщину 2 3 м. Шахта реактора опирается на верхнюю железобетон ную плиту, которая поддерживается системой колонн и стен, опирающихся ^на нижнюю опорную плиту. Образованные между верхней и нижней плитами помещения используются
24
для размещения коммуникаций, вентиляционных камер и дру гого оборудования, непосредственно обслуживающего реак тор. На рис. 5 и 6 показаны схематичные разрезы «коробча тых круглого и квадратного фундаментов, запроектированных на естественных основаниях. Вопросы компоновки Р.О под робно освещены в [2].
Рис. 6. Квадратный фундамент (69X69 м) реак торного отделения: / — защитная оболочка реак торного отделения; // — реактор; III — коробча тый фундамент; 1—7 — грунты основания
В случае оснований, представленных сильносжимаемыми или просадочнымц грунтами, в качестве одного из методов уменьшения дефорМИруемости основания могут рассматри ваться распределительные подушки из песка, гравия или щебня. Они давно широко применяются при устройстве фун даментов промыщленных и гражданских зданий и сооружен ний, а в последнее время все чаще устраиваются также под фундаменты сооруженИй энергетических объектов и, в част ности, под реакторные отделения АЭС. Примером применения
распределительной уплотненной подушки является основание реакторного блока Балаковской АЭС. В основании этого блока под подошвой фундаментной плиты устроена по душка из уплотненного щебня толщиной 4 м, заменяющая су глинок верхнего слоя, имеющий низкие значения характери
стик прочности (ф = |
3°, с = 0,01 МПа) и большую сжима |
емость (Е = 10 МПа) |
[6]. |
Реакторное отделение в целом вместе с фундаментом яв ляется практически жестким сооружением, и при определении его перемещений (осадка, крен) оно может представляться в расчетах абсолютно жестким штампом. Во избежание пере коса реактора или, по крайней мере, для уменьшения его^ крена (в случае неоднородного в плане основания) отдельные элементы РО и его оборудование располагают так, чтобы: равнодействующая всех весовых нагрузок проходила практи чески через геометрический центр нижней опорной плиты.
При проектировании фундамента РО наземной АЭС прежде всего учитываются следующие факторы:
—строительные конструкции РО, тяжелое технологиче ское оборудование, бассейны выдержки и др. создают весьма значительные нагрузки на основание, существенно превосхо дящие нагрузки промышленных зданий и сооружений: сред нее давление по подошве фундаментов РО доходит до 0,7— 0,8 МПа;
—основание реакторного отделения должно иметь весьма незначительную и, главное, практически равномерную осадку.
Проектирование оснований и фундаментов РО включает
выбор типа основания (естественное или искусственное), кон струкции и размеров фундамента, мероприятий по инженер ной подготовке основания.
Предварительно размеры фундаментов РО в плане назна чают исходя из необходимости размещения шахты реактора, защитной оболочки и пристроек для вспомогательного обо рудования.
В соответствии с [17] основания РО подлежат расчету по
деформациям и по несущей способности (вторая и первая |
||
группы предельных состояний). |
деформациям (определение |
|
Расчет |
оснований РО по |
|
осадки и |
крена — отклонения |
РО от вертикального проект |
ного положения) производится |
на основное сочетание нагру |
|
зок, однако расчет крена должен включать и особое сочетание нагрузок и воздействий (при необходимости учета таких воз действий). При расчете перемещений РО следует определять как значения стабилизированных (конечных) перемещений, так и пе^ремещений в различные моменты времени (нестабилизированные перемещения), обусловленных процессами уплотнения глинистых грунтов основания и ползучестью грун-
26
тов. Согласно нормам, расчет деформаций должен осуществ ляться из условия совместной работы РО и основания, при этом совместная деформация РО и его основания должны оце ниваться осадкой 5 и креном i реакторного отделения в целом. Для РО расчет указанных деформаций рекомендуется выпол нять для условий пространственной задачи с учетом измене ния модуля деформации по глубине и в зависимости от на пряженного состояния грунта, т. е., по существу, при нели нейной связи между напряжениями и деформациями грунтов основания [5, 10]. В то же время допускается расчет дефор маций основания на базе линейной теории упругости с ис пользованием расчетных схем в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжима емой толщи и в виде линейно-деформируемого слоя конечной толщины. В этом случае, прежде чем приступить к расчетам деформаций, следует проверить выполнение условий по на
пряжениям |
под подошвой фундамента: р ^ |
/?, сгтах ^ |
1,2/?. |
|
Значения р и атах определяются |
по формулам (3), (4). |
Как |
||
правило, в |
силу значительных |
размеров |
фундамента |
РО |
в плане и большого заглубления выполнение указанных усло
вий |
обеспечивается с запасом. В тех редких случаях, когда |
р > |
R (cTmax > 1,2/?), для увеличения R обычно, не меняя раз |
меров в плане, увеличивают заглубление подошвы фунда мента, осуществляют замену грунта под подошвой, упроч няют естественный грунт и т. п. При устройстве грунтовых уплотненных подушек под фундаментом РО или при предва рительном уплотнении естественных грунтов расчетное сопро тивление R определяют с учетом физико-механических харак теристик уплотненных грунтов.
Для расчетной схемы основания в виде линейно-деформи руемого полупространства нижняя граница сжимаемой толщи
принимается |
на глубине |
z = Нс от подошвы |
по условию |
<5zp = а -I oZg, |
где Ozg = |
уиНс> уи — удельный |
вес грунта |
(с учетом взвешивающего действия грунтовых вод); ozp— дополнительное напряжение по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяемое по указаниям [26, прил. 2]. Поскольку фундаменты РО имеют Ъ> 10 м, то на пряжения Ozp определяют, принимая дополнительное давле ние ро равным полному р = G Pq / A , где GPо — вес РО с уче том возможного взвешивающего действия подземных вод. Со гласно [17, 27] рекомендуется принимать при вычислении Нс значение а = 0,5. Однако в случае если ниже глубины Нс залегает слой грунта с Е < 10 МПа, то граница сжимаемой толщи опускается на толщину указанного слоя, но не более, чем до величины # с, определяемой условием ozp = 0,1(7Zg-
Для найденной глубины Нс конечная (стабилизированная) осадка основания РО определяется методом послойного сум
мирования, при этом в [17] приводится для 5 формула (5). Заметим, что использование формул (6), (7), в принципе рав ноценных (5), позволяет более детально учесть нелинейный характер компрессионных кривых, особенно в случае средне- и сильносжимаемых грунтов.
Для расчетной схемы основания в виде линейно-дефорти руемого слоя конечной толщины значение Я вычисляют [26,
прил. 2] по формуле |
|
Я = (Но -f- ypb)kp, |
(15) |
где Н0 и ф принимаются соответственно равными для основа ний, сложенных: пылевато-глинистыми грунтами — 9 м и 0,15; песчаными грунтами — 6 м и 0,1; kp— коэффициент, завися щий от среднего давления р по подошве фундамента: для РО при р ^ 0,5 МПа kp = 1,2, при р > 0,5 МПа kp = 1,5 [17]; b — ширина квадратного, для круглого Ь = йф, где d$ — диа метр фундамента.
Если основание представлено слоями глинистых и песча
ных грунтов, значение Н определяется по формуле |
|
Я = fh + hci/3, |
(16) |
где Hs — толщина слоя, вычисленная по формуле |
(15) для |
случая однородного песчаного основания; hci — суммарная толщина слоев пылевато-глинистых грунтов от подошвы фун дамента до глубины, равной Я с/, где Я с/— значение, вычислен ное по формуле (15) в предположении, что основание сложено только пылевато-глинистыми грунтами.
Значение Я, вычисленное по формулам |
(15) или |
(16), не |
|||
обходимо увеличить на толщину слоя |
грунта |
с |
модулем |
||
Е < |
10 МПа, если этот слой расположен ниже Я |
и его тол |
|||
щина не превышает 0,2Я. Если толщина |
слоя грунта с Е < |
||||
< 10 МПа больше 0,2Я или вышележащие |
грунты имеют |
||||
Е < |
20 МПа, расчет деформаций основания |
выполняется по |
|||
схеме полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Нс.
Стабилизированная осадка поверхности линейно-деформи- руемого слоя толщиной Я в соответствии с рекомендациями
[17] определяется по формуле К. Е. Егорова [17] |
|
|
, = ( I + - i ) [бр |
ж , |
(17) |
где р — среднее давление по подошве фундамента; п — число слоев, различающихся по сжимаемости (по модулю £*■) в пре делах толщины Я; ku ki-\ — коэффициенты, определяемые по [26, прил. 2, табл. 4]; и— коэффициент, учитывающий возра стание осадки за счет боковых перемещений грунта, назна чаемый равным 0,6 для глинистых, 0,9 — для песчаных грун-
28
тов и 0,5 — в случае неоднородного основания; М — коэффи циент, зависящий от относительной толщины слоя 2Н/b: при 2Н/Ь < 0,5 М = . 1,5; 0,5 < 2Н/Ь < 1 М = 1,4; 1 < 2Н/Ь ^ 2 Af = 1,3. Формула (17) имеет единую принципиальную основу с формулой (8), отличаясь от последней значениями попра вочных коэффициентов.
Нормы [17] рекомендуют принимать за расчетное наиболь шее из значений осадки, найденных по формулам (5) и (17).
Изложенные выше методики определения осадки, как по казывает сопоставление для фундаментов РО расчетных ре зультатов с измеренными в натуре (Г. Е. Лазебник и др.), прогнозируют, как правило, преувеличенные значения осадок (при использовании модулей £, найденных по штамповым или компрессионным испытаниям). Это обусловлено, в част ности, тем, что указанные методики не учитывают в полной мере такие факторы, как значительное заглубление фунда ментов РО и большие размеры в плане.
При заглублении подошвы фундамента РО на 5— 10 м и даже более разгрузка основания при открытии котлована мо жет достигать 20—50% веса РО. В этих случаях при расчете осадок нельзя пренебрегать тем обстоятельством, что при на грузках на основание, не превышающих природное давление грунта, осадки основания определяются деформациями грунта при повторном нагружении, которые существенно отличаются от деформаций при давлениях сверх природного. Если про водить аналогию с компрессионными испытаниями, то первич ному нагружению отвечают основная ветвь компрессии, а по
вторному — ветвь |
рекомпрессии. |
Указанное обстоятельство |
в формулах (5), |
(17) и в нормах |
[17] не учитывается. Основ |
ные положения метода определения конечной осадки как суммы осадок на отдельных этапах возведения сооружения, включая этап отрытия котлована под него, изложены в учеб нике [10]. Применительно к глубоким котлованам соответ ствующие рекомендации вошли в [20].
Необходимость учета влияния плановых размеров фунда ментов (масштаба сооружения) на прогнозируемые осадки отмечалась в литературе неоднократно. Приближенное отра жение этот фактор нашел в нормах для оснований гидротех нических окружений [27], где для сооружений с площадью подошвы А > 500 м2 рекомендуется модуль деформации уве личивать в 1,5 раза по сравнению с сооружениями меньшей
площади.
В настоящее время многие исследователи связывают эф фективность учета влияния масштабности сооружений на про гноз их осадок в рамках модели л.-д.с. с применением для ос нования схемы полупространства с непрерывно изменяю щимся по глубине модулем деформации Е = Е0zn, п < 1
(модель Г. К. Клейна). На факт возрастания модуля дефор мации Е с глубиной указывают результаты расчета Е по из меренным послойным перемещениям и напряжениям в осно вании (Б. И. Далматов, В. М. Чикишев). В литературе име ются рекомендации принимать п = 0,3 для песчаных, п = 0,2 для глинистых грунтов естественного сложения и п = 0,1 для плотных насыпных грунтов и ледниковых отложений.
На |
основаниях с переменным |
модулем деформации |
(п Ф 0) |
осадки Si и s2 фундаментов |
1, 2 различной площади |
Ai и А2 при одинаковом среднем давлении по их подошве со относятся как Si/s2 = (Ai/A2) l~n/2, откуда следует, что ин тенсивность роста осадок с увеличением площади носит за тухающий характер, что й подтверждают результаты опытов. Одновременно сопоставление расчетных осадок с измерен ными показало, что модель полупространства с непрерывно изменяющимся модулем деформации применительно к осно ваниям сооружений большой площади (сотни и тысячи кв. метров), в частности, к основаниям РО, дает возможность по лучить расчетные осадки, близкие к натурным. При -этом в [9] установлено важное правило: если для основания мо дуль деформации Ешт определен с помощью штампа пло щадью А.шт» то расчетная осадка фундамента площадью А на основании с изменяющимся модулем (п Ф 0) может быть определена по схеме основания с постоянным (условным) мо дулем Fy, если он принят по зависимости Еу= Е шт(А/Ашт)°'5п.
Помимо осадки, важным для реакторного отделения яв ляется определение крена (отклонения от проектного верти кального положения). Стабилизированное («конечное) значе ние крена РО с учетом внецентренного приложения равнодей ствующей нагрузок, высоты ее приложения, влияния сосед них фундаментов и неоднородности грунтов основания опре деляют по формуле
1± *н |
(18) |
|
1- iNh* ’ |
||
|
где i — крен РО за счет внецентренного (относительно центра подошвы фундамента) приложения равнодействую щей нагрузок; iH— крен РО вследствие неодно;родности осно вания; при совпадении направления кренов i и /„ они в фор муле (18) суммируются, в противном случае вычитаются;
i = i/M — крен от единичного момента; М = Ne, где N и е — вертикальная составляющая равнодействующей нагрузок, пе редающихся на фундамент, и ее эксцентриситет; h* — высота точки приложения N от подошвы фундамента.
Как уже отмечалось, при проектировании РО стремятся обеспечить, чтобы равнодействующая N проходила через центр подошвы фундамента, тогда е = 0 и i = 0. В случаях*
30