книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

Рис. 8.7. Схемы к расчету осадок методом послойного суммирования (а) и методом конечныхэлементов «5)

ние расчетного сопротивления грунта основания, то получим R = 290 кПа, т. е. условие выполнено.

Определим осадку фундамента методом послойного суммирова­ ния (см. § 7.3). На схеме (рис. 8.7, а) показаны эпюры природных напряжений azgи дополнительных напряжений azp, рассчитанных от

дополнительного давления под подошвой фундамента p0= p -yd -2 % —18 - 2= 254 кПа. Нижняя граница сжимаемой тол­ щи определена графически и находится на глубине 8 м от подошвы фундамента. Тогда осадка фундамента при этих данных составляет 5=6,6 см. Считая, что фундамент проектируется под кирпичную несущую стену многоэтажного бескаркасного здания, найдем по табл. 9.2 предельное значение осадки: 5И=10 см. Таким образом, условие s ^ s u удовлетворяется, однако запроектированный фунда­ мент до величине осадки имеет существенный запас.

Решим задачу об осадке фундамента методом конечных элемен­ тов в нелинейной постановке. Для ленточного фундамента (/» 6 ) расчет можно вести по схеме плоской деформации. Из условия симметрии (центрально нагруженный фундамент на однородном основании) расчетная область слева ограничена линией, проходя­ щей через центр подошвы фундамента (рис. 8.7, б). Горизонтальная поверхность расчетной области принята в уровне подошвы фун­ дамента. Действие пригрузки грунтом, залегающим выше этой отметки, заменено равномерно распределенной нагрузкой q—yd= 36 кПа. Сетка разбивки содержит 256 прямоугольных элементов и 296 узловых точек. Назначены следующие граничные условия: на левой и правой вертикальных границах приняты равными нулю горизон-

221

Рис. 8.8. Исходные данныеи результаты расчетов:

а — компрессионнаякривая;б — зависимостьинтенсивностисдвиговыхде­ формаций от интенсивности касательных напряжений; в — зависимость среднейнормальнойдеформацииотсреднегонормальногонапряжения; г — расчетные осадки, полученные методамипослойного суммирования (МПС) и конечных элементов (МКЭ)

тальные перемещения и обеспечена возможность вертикальных пе­ ремещений; на нижней границе вертикальные и горизонтальные перемещения отсутствуют. В процессе расчета в пределах полуши­ рины фундамента Ь/2 производилось шаговое приложение нагрузки ступенями Ар=36 кПа и для каждой ступени нагружения определя­ лась осадка.

При решении задачи использовалась упругопластическая модель грунта деформационного типа (см. § 3.3). Для определения парамет­ ров модели требовались более сложные методы испытаний, чем упомянутые выше стандартные способы. Испытания выполнялись на приборе трехосного сжатия с тремя независимо регулируемыми главными напряжениями (см. § 4.4). Опытные кривые зависимостей Ьт=Яат) и fi=f(т,-, ат) представлены на рис. 8.8, б, в. Поскольку эти

222

Часть 2

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Глава 9

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

9.1. Основные положения

Значение вопроса. Фундаменты устраиваются для передачи на­ грузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, воспринимая эти нагрузки, претерпе­ вает, как правило, неравномерные деформации, что вызывает появ­ ление в конструкциях дополнительных перемещений и усилий. При неправильном проектировании, подготовке оснований и возведении фундаментов это может привести к тому, что даже безупречно выполненная конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Мировой опыт строительства показывает, что большинство аварий построен­ ных зданий и сооружений вызвано ошибками, связанными с воз­ ведением фундаментов и устройством оснований.

Одной из характерных особенностей неправильного возведения фундаментов является то, что его отрицательное действие проявля­ ется после накопления грунтами основания достаточных дефор­ маций, т. е., как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные и заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно расселять, подвергать сложным ремонтно-восстановительным работам, а не­ редко и полностью или частично разбирать.

Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании и возведении фундаментов, или стремление к неоправданной эконо­ мии связанных с этим работ могут потребовать проведения допол­ нительных мероприятий, во много раз превышающих стоимость фундаментов.

С другой стороны, как уже отмечалось, стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных инженерно-геологических условиях может достигать 20...30% и бо-

224

лее. Поэтому необоснованное принятие чрезмерно сложных для конкретных условий решений фундаментов и производства работ по их возведению приведет к неоправданному удорожанию строитель­ ства.

Важно отметить, что технология работ по подготовке оснований и устройству фундаментов и подземных частей зданий во многом отличается от работ по возведению подземных сооружений. В зави­ симости от типа сооружения, рельефа местности, инженерно-геоло­ гических и гидрогеологических условий строительной площадки, климатических и метеорологических условий района строительства, даже времен года, когда выполняются эти работы, технология производства строительных работ может значительно изменяться. Правильный выбор технологии подготовки оснований и устройства фундаментов имеет очень большое значение для надежного и эконо­ мичного строительства сооружений. Эти вопросы специально рас­ сматриваются в курсе технологии строительного производства

иочень обстоятельно изложены в учебном пособии Т. М. Штоля,

В.И. Теличенко, В. И. Феклина «Технология возведения подземных частей зданий и сооружений».

Общие требования к проектированию оснований и фундаментов. Проектирование оснований и фундаментов выполняется в соответ­ ствии с действующими нормативными документами. При этом необходимо:

обеспечение прочности и эксплуатационных требований зданий

исооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);

максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фунда­ мента;

достижение минимальной стоимости, материалоемкости и тру­ доемкости, сокращение сроков строительства.

Соблюдение этих положений основывается на выполнении ука­ занных ниже требований:

комплексном учете при выборе типа оснований и фундаментов инженерно-геологических и гидрогеологических условий строитель­ ной площадки; конструктивных и технологических особенностей сооружения и его чувствительности к неравномерным осадкам; методов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фундаментов и подземной части сооружений;

расчете и проектировании оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание — фундаменты — конст­ рукции сооружения».

Таким образом, проектирование оснований и фундаментов должно включать в себя обоснованный расчетом выбор типа ос­ нования (естественное или искусственное); типа, конструкции, мате­ риала и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры пло­ щади подошвы й т. д.), а также мероприятий, применяемых при

необходимости уменьшения влияния деформаций основания на экс­ плуатационную пригодность и долговечность сооружения.

Конструирование фундаментов (класс бетона, выбор арматуры, определение размеров отдельных его частей и т. п.) относится к курсу железобетонных конструкций.

Последовательность проектирования оснований и фундаментов.

Проектирование оснований и фундаментов включает ряд операций, которые обычно выполняются в указанной ниже последовательности.

1. Оценка результатов инженерно-геологических, инженерно­ геодезических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для строительства. Состав этих данных определяется соответствующи­ ми нормами и инструкциями и рассматривается в курсе инженерной геологии. От качества и полноты материалов изысканий во многом зависят надежность и экономичность принимаемых в проекте реше­ ний оснований и фундаментов.

В общем случае результаты изысканий должны содержать сведе­ ния о местоположении территории строительства, ее климатических и сейсмических условиях, инженерно-геологическом строении и ли­ тологическом составе толщи грунтов, наблюдаемых неблагоприят­ ных факторах (наличие иросадочности грунтов, карста, оползневых процессов, горных выработок и т. п.). Особое внимание уделяется сведениям о наличии в горизонтах подземных вод, колебаниях их уровней, агрессивности по отношению к материалам фундаментов и подземных частей зданий.

Результаты детальных исследований, проводимых на площадке строительства, должны содержать сведения о стратиграфической последовательности напластования грунтов, формах залегания, раз­ мерах в плане и по глубине, происхождении, составе и состоянии всех инженерно-геологических элементов, о подземных водах. Дан­ ные представляются в виде инженерно-геологических колонок по отдельным выработкам (скважинам, шурфам и т. д.) и разрезов, построенных по этим выработкам, а также соответствующих тек­ стовых материалов и таблиц. На инженерно-геологических доку­ ментах обязательно приводятся места отбора проб для лаборатор­ ных определений характеристик физико-механических свойств грун­ тов, пункты проведения полевых опытов, включая статическое и ди­ намическое зондирование.

Количество выработок, назначаемых для изысканий, определя­ ется сложностью инженерно-геологических условий площадки и чу­ вствительностью проектируемого сооружения к неравномерным осадкам. Так, для инженерно-геологических условий III категории сложности минимальное число выработок в пределах контура со­ оружения составляет 3...5, а максимальное расстояние между ними — 20...30 м. Глубина выработок должна не менее чем на 1...2 м превышать нижнюю границу сжимаемой толщи основания, а в случае слабых грунтов полностью прорезать их толщу.

Результаты изысканий должны содержать все необходимые дан­

226

ные о физико-механических свойствах грунтов основания, сведения о методах их определения, прогноз возможных изменений показа­ телей этих свойств. В особо сложных инженерно-геологических условиях и для сооружений повышенной ответственности требуется проводить исследования грунтов по специальной программе.

2.Анализ проектируемого здания и сооружения. В соответствии

сзаданием на проектирование определяются плановые и высотные размеры сооружения, устанавливаются его конструктивная и рас­ четная схемы, материалы элементов конструкций, способы передачи нагрузок на основание. Исходя из конструктивных и эксплуатацион­

но-технологических требований определяется чувствительность со­ оружения или отдельных его частей К неравномерным осадкам, назначаются предельные значения деформаций основания.

Важным этапом является определение нагрузок, действующих на сооружение (ветровых, снеговых, особых и т. п.), а также нагру­ зок от несущих конструкций сооружения, перекрытий, различного рода оборудования и эксплуатационных условий, передающихся на фундаменты. Равнодействующие всех нагрузок в зависимости от расчетной схемы сооружения прикладываются в уровне верхнего обреза или подошвы фундамента.

Следует обращать внимание на возможное влияние технологи­ ческих процессов в проектируемых сооружениях на изменение физи­ ко-механических свойств грунтов основания. Необходимо, особенно при строительстве на слабых грунтах, принимать во внимание взаимодействие проектируемого сооружения с окружающей средой (соседние здания и сооружения, установки и оборудование в проек­ тируемом сооружении, прокладка коммуникаций, сохранность при­ легающей территории, дорог и т. п.).

3. Выбор типа основания и конструкций фундаментов! Имея приведенные выше данные, осуществляют привязку проектируемо­ го сооружения к строительной площадке, т. е. совмещение осей сооружения с инженерно-геологическими разрезами и выбор глуби­ ны заложения подошвы фундаментов. С этого, собственно, и начи­ нается проектирование оснований и фундаментов.

Уже на этой стадии проектирования следует стремиться так разместить сооружение на площади застройки, чтобы по возмож­ ности избежать влияния на сооружение источников вредных воздей­ ствий: линз слабых грунтов, карстовых полостей, старых горных выработок, посторонних коммуникаций и т. п.

Важно отметить, что при всем разнообразии природно-климати­ ческих и инженерно-геологических условий площадок строительства на территории нашей страны, многообразии конструкций различ­ ных зданий и сооружений в массовом строительстве обычно приме­ няются два класса фундаментов: мелкого заложения и свайные фундаменты. Более сложные конструкции (сваи-оболочки, опускные колодцы, кессоны и т. д.) используются для специальных сооруже­ ний или в сложных инженерно-геологических условиях.

227

Конечно, и в массовом строительстве в каждом конкретном случае имеется большое количество различных вариантов решений, позволяющих проявить искусство проектировщика. Основные поло­ жения такого подхода будут рассмотрены в соответствующих гла­ вах учебника. Здесь же ограничимся лишь общими соображениями.

Обычно уже сама схема сооружения (каркасное, бескаркасное, многоэтажное, одноэтажное, наличие или отсутствие подвальных помещений и т. д.), а также величина и характер нагрузок, передава­ емых на основание (моментные, безмоментные и т. п.), в совокуп­ ности с данными об основании (характер залегания, несущая спосо­ бность, деформируемость грунтов, наличие и уровень залегания подземных вод и т. д.) позволяют наметить несколько вариантов конструкций фундаментов, наиболее подходящих для конкретных условий строительства. В случае применения фундаментов мелкого заложения иногда рассматриваются альтернативные варианты ис­ пользования основания без проведения дополнительных работ по его укреплению (естественное основание) или с проведением таких работ (искусственное основание). Следует также учитывать матери­ ально-технические возможности индустриальной базы района стро­ ительства (наличие и мощности заводов железобетонных изделий при проектировании сборных фундаментов и забивных свай; бес­ перебойная поставка бетона для монолитных фундаментов; обес­ печенность транспортным, сваебойным оборудованием и т. п.), дальность перевозок строительных материалов, а также производ­ ственный опыт строящей организации.

Заканчивается этот этап выбором типа основания и нескольких (обычно не менее трех) конструктивных типов фундаментов проек­ тируемого сооружения, намеченных для дальнейшего, более деталь­ ного анализа. Поскольку в качестве проектного решения будет принят один из этих вариантов, значение рассматриваемого этапа

вобщей цепочке проектирования очень велико.

4.Расчеты оснований по предельным состояниям, технико-эко­ номический анализ вариантов и принятие окончательного решения. Для одного или нескольких сечений сооружения в зависимости от его конфигурации, нагрузок, сложности напластования грунтов про­

водятся расчеты выбранных вариантов фундаментов по предель­ ным состояниям. Определяются окончательные размеры фундамен­ тов в плане, количество и расположение свай, проектируются фун­ даменты для каждого варианта. Оцениваются все виды работ по возведению фундаментов й, если нужно, по устройству искусствен­ ных оснований и других мероприятий, направленных на уменьше­ ние неравномерных деформаций основания. Проводится технико­ экономическое сравнение рассматриваемых вариантов и по миниму­ му приведенных затрат устанавливается оптимальное проектное решение.

В отдельных случаях, при соответствующем технико-экономи­ ческом обосновании, может быть принято и более дорогое решение,

228

если это обеспечивает ускорение ввода объекта в действие и получе­ ние за счет этого дополнительных прибылей.

Конструирование сборных фундаментов рассматривается в по­ следующих главах учебника, а монолитных — в курсе железобетон­ ных конструкций.

9.2. Общая оценка взаимодействия сооружений

и оснований

Оценка сооружений по жесткости. Здания, сооружения и их от­ дельные элементы в зависимости от чувствительности к деформаци­ ям основания условно разделяют на три типа: гибкие, абсолютно жесткие и конечной жесткости.

Гибкие сооружения, передавая нагрузку на основание, беспрепя­ тственно следуют за осадкой так, что дополнительные усилия в их конструкциях практически не возникают. Идеальным примером подобного сооружения является земляная насыпь. Будучи возведена даже на слабых грунтах, она способна неравномерно деформиро­ ваться вместе с ними без опасности разрушения. Для сохранения проектных отметок ей придают строительный подъем на величину ожидаемых осадок или досыпают по мере-деформирования. К тому же типу сооружений относятся днища металлических резервуаров, эстакады и галереи с разрезными пролетными строениями и т. д.

Абсолютно жесткие сооружения, напротив, при деформациях основания не изгибаются, а дают осадку как единый массив, причем поверхность основания в границах подошвы сооружения остается плоской. К ним относятся дымовые трубы, массивные мостовые опоры, доменные печи и другие подобные сооружения, как правило, компактные в плане, установленные на массивном фундаменте. При действии моментной нагрузки или в случае неравномерно дефор­ мирующихся оснований кроме осадки может возникать крен соору­ жения. Как указывалось в § 5.2, контактные напряжения по подошве фундамента абсолютно жесткого сооружения существенно неодно­ родны. Однако для массивных фундаментов, имеющих большой запас прочности на изгиб, они обычно не опасны.

Подавляющее большинство зданий и сооружений обладают ко­ нечной жесткостью (рамные и неразрезные железобетонные конст­ рукции, кирпичные, блочные и панельные дома и т. п.). Здесь уже неравномерные осадки основания сопровождаются искривлением сооружения, хотя жесткость сооружения до некоторой степени уме­ ньшает неравномерность осадок. В результате в несущих конструк­ циях возникают дополнительные усилия, которые при неправиль­ ном проектировании могут привести к появлению трещин и даже разрушению элементов конструкций.

Учет совместной работы сооружения и основания. Наиболее пол­ ной постановкой расчета взаимодействия сооружений конечной же­ сткости с основаниями был бы совместный расчет конструкции

229

и основания. В принципе это возможно с помощью изложенных

вгл. 8 численных методов, и отдельные случаи таких решений

встроительной практике имеются.

Однако наиболее распространенными в настоящее время и рег­ ламентируемыми действующими нормами являются расчет по де­ формациям оснований отдельных фундаментов и оценка на этой основе деформаций всего сооружения. Целью расчета является ограничение абсолютных и относительных перемещений фундамен­ тов и надфундаментных конструкций такими пределами, при кото­ рых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не сни­ жается его долговечность. Нагрузки, передающиеся сооружением на фундамент, как правило, определяются с учетом их перераспределе­ ния конструкцией сооружения. Одновременно при необходимости прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверяются расчетом на действие усилий, которые возникают при совместной работе сооружений и основания.

Значения предельных деформаций зависят от конструктивных особенностей сооружения и определяются действующими нормами или заданием на проектирование. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в § 9.3.

Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах. Усилия, пере­ даваемые сооружением на фундаменты, устанавливаются в соответ­ ствии со СНиП 2.01.07 — 85 «Нагрузки и воздействия». Для зданий и сооружений Ш класса при расчетах средних значений деформаций основания или деформаций основания в стадии привязки типового проекта к местным грунтовым условиям допускается определять нагрузки без учета их перераспределения надфундаментной конст­ рукцией. В остальных случаях такой учет должен выполняться.

Следует иметь в виду, что нагрузки, устанавливаемые СНиПом, соответствуют нормативным их значениям. Расчеты оснований произ­ водятся по расчетным значениям нагрузок, которые определяются как произведение нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке у/, учитывающий возможное отклонение нагрузок в неблагоп­ риятную сторону от их нормативных значений. Значения коэффициен­ тов у/при расчетах оснований по несущей способности и для различных случаев изменяются от 1 до 1,4. При расчетах оснований по деформаци­ ям значение этого коэффициента принимается равным единице (у/= 1).

В зависимости от продолжительности действия нагрузки подраз­ деляются на постоянные (собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунта и т. п.) и временные. Времен­ ными считаются нагрузки, которые в отдельные периоды стро­ ительства и эксплуатации могут отсутствовать. К ним относятся:

длительные (вес стационарного оборудования, нагрузки на пере­ крытия в складских помещениях, библиотеках и т. п.);

кратковременные (вес людей, материалов, продукции технологи­ ческого назначения сооружения, снеговые, ветровые и т. д.);

особые (сейсмические, аварийные и др.).

230