книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1
.pdfглавным образом к управлению вызовом из библиотеки нужных подпрограмм в соответствии с постановкой и выбранным методом решения краевой задачи.
Сказанное не должно создавать впечатление, что разработка универсального и многопланового программного комплекса явля ется формальным и относительно простым делом. Все обстоит сложнее и в значительной мере зависит от ориентации комплекса на решение тех или иных классов проблем. В области механики сплошных деформируемых сред сравнительно просты программы решения линейных упругих задач. Учет нелинейных упругопластнческих закономерностей деформирования грунтов приводит к боль шому числу разветвлений в программе, связанному с количеством используемых механических моделей и методов решения нелиней ных задач, поэтому вопросы алгоритмизации решений выходят за рамки учебника. С ними можно ознакомиться в специальной лите ратуре.
В настоящее время существует возможность приобретения
иустановки мощных вычислительных комплексов отечественного
изарубежного производства с современным интерфейсом. Эти
средства позволяют решать на высоком технологическом и науч ном уровне многочисленные задачи геотехники (расчет плитных, балочных и коробчатых фундаментов, подпорных стен, подземных сооружений, устойчивости откосов и склонов и т: п .).
8.3.Расчет осадок фундамента методами линейной
инелинейной механики грунтов
Вкачестве иллюстрации приведенных выше положений рассмот рим простейшую задачу определения размеров центрально-нагру женного ленточного фундамента. Согласно СНиП 2.02.01 — 83*, при проектировании фундамента должно выполняться условие рас
чета по деформациям, в соответствии с которым ожидаемая осад ка фундамента s не должна превышать предельную для данного типа сооружения величину осадки su(s^su). Кроме того, для воз можности использования при расчете осадок рекомендованных СНиПом методов, основанных на теории линейного деформирова ния грунтов, необходимо, чтобы среднее давление под подошвой фундамента р не превышало расчетного сопротивления грунта R (р<Л). Тогда последовательность проектирования заключается в том, что сначала определяются размеры фундамента в плане из условия p ^ R , а затем выполняется расчет по деформациям.
Чем ближе давление р к расчетному сопротивлению R, тем при выполнении условия более экономично запроектирован фун дамент. Однако в практике нередки случаи, когда расчетная осадка s оказывается значительно меньше предельной даже при давлениях,
241
близких к расчетному сопротивлению грунта (s<zsu при p=R). Возникает противоречие: с одной стороны, можно уменьшить пло щадь подошвы фундамента, увеличив р и тем самым приблизив расчетную осадку s к предельной, с другой — давление р при этом превысит значение расчетного сопротивления грунта R и опре деление осадки фундамента с использованием рекомендованных СНиПом методов станет невозможным ввиду перехода основания
вфазу нелинейного деформирования.
В§ 7.5 был приведен инженерный, способ расчета осадок за
пределами линейной зависимости между напряжениями и дефор мациями в основании, т. е. при p> R . Более точные данные могут быть получены с использованием численных методов решения нели нейных задач механики грунтов.
Рассмотрим сначала задачу расчета ленточного фундамента в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.01 — 83* (рис. 8.7, а). Фундамент, на верхнем обрезе которого действует нагрузка 500 кН/м, заложен на глубину d=2 м в толще однородных тугопластич ных суглинков с удельным весом у= 18 кН/м3. Механические свой ства суглинков изучены на компрессионных и сдвиговых приборах, на основании чего получены кривая компрессионного сжатия (рис. 8.8, а) и характеристики сопротивления сдвигу грунта <рл=20° и сд=20 кПа.
Примем ширину подошвы фундамента Ь=2 м. Тогда с учетом веса фундамента нагрузка, приложенная к плоскости подошвы фун дамента, будет равна Fa—580 кН/м, а среднее давление составит р= =Fvjb=290 кПа. Если теперь по формуле (9.5) определить значение расчетного сопротивления грунта основания, то получим R= =290 кПа, т. е. условие p ^ R выполнено.
Определим осадку фундамента методом послойного суммирова ния (см. § 7.3). На схеме (рис. 8.7, а) показаны эпюры природных напряжений ozgи дополнительных напряжений azp, рассчитанных от дополнительного давления под подошвой фундамента P o = P ~ y d = =290 —18 ■2=254 кПа. Нижняя граница сжимаемой толщи опреде лена графически и находится на глубине 8 м от подошвы фундамен та. Тогда осадка фундамента при этих данных составляет s = 6,6 см. Считая, что фундамент проектируется под кирпичную несущую стену многоэтажного бескаркасного здания, найдем по табл. 9.2 предельное значение осадки: Ju=10 см. Таким образом, условие
удовлетворяется, однако запроектированный фундамент по величине осадки имеет существенный запас.
Решим задачу об осадке фундамента методом конечных элемен тов в нелинейной постановке. Для ленточного фундамента (1у>Ь) расчет можно вести по схеме плоской деформации. Из условия симметрии (центрально-нагруженный фундамент на однородном основании) расчетная область слева ограничена линией, проходя-
242
Рис. 8.7. Схемы к расчету осадок методом послойного суммирования (я) и методом конечных элементов (б)
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 горизонтальные перемещения и обеспечена возможность вертикаль ных перемещений; на нижней границе вертикальные и горизонталь ные перемещения отсутствуют. В процессе расчета в пределах полу ширины фундамента bj2 производилось шаговое приложение на грузки ступенями Ар=36 кПа, и для каждой ступени нагружения определялась 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 Em=f(<r„) и У,=/(т,-, <тт) представлены на рис. 8.8, б, в. Поскольку эти кривые нелинейны, для решения задачи использовались итерацион ные процедуры, описанные в § 8.2.
Результаты расчетов представлены на рис. 8.8, г. Методом по слойного суммирования (МПС) может быть определена только одна точка, соответствующая осадке .у= 6,6 см при давлении под
243
Рис. 8.8. Исходные данные и результаты расчетов:
а — хомпресагёввая кривая; б — зависимость интенсивности сдвиговых деформаций от интен сивности касательных напряжений; в —-зависимость средней нормальной деформации от сред него нормального напряжения; г — расчетные осадки, полученные методами послойного сум мирования (МПС) н конечных элементов (МКЭ)
подошвой фундамента p = R = 290 кПа. Метод конечных элементов (МКЭ) позволил получить полную кривую зависимости 5=/(р). Характерно, что при давлениях под подошвой фундамента, не превышающих природное давление на уровне его подошвы (yd—36 кПа), осадки фундамента практически отсутствуют, так как эти давления прикладываются к основанию, уплотненному под дейст вием собственного веса грунта. Далее осадка возрастает по линей ному закону до давления, близкого к расчетному сопротивлению грунта Л =290 кПа. Обращает внимание, что осадка при р=Я, полученная МКЭ (5= 7,1 см), несколько превышает значение осадки, вычисленной МПС (5=6,6 см). Это связано с тем, что при расчете МКЭ учитывается влияние на осадку бокового расширения грунта в стороны от оси фундамента. При больших давлениях график осадки все больше отклоняется от прямой линии, что объясняется развитием в основании зон пластических деформаций.
244
Последнее устойчивое значение осадки s= 16,8 см получено МКЭ при давлении />=472 кПа. При больших значениях давления итера ционный процесс расходился, что свидетельствовало о приближе ние к предельному состоянию основания. Определенная по формуле (6.25) предельная контактная нагрузка при <Р/=<р/Ъ(ф)и с1=Фг(Ф где У*(?) и — коэффициенты надежности по грунту.(см. § 4.6), со ставила />„=531 кПа, т. е. оказалась близка к значению, получен ному в расчете МКЭ.
Численное решение с учетом нелинейных закономерностей де формирования грунта отличается высокой точностью в определе нии конечных осадок при давлениях, превышающих расчетное со противление грунта. В то же время исходя из условия расчета по деформациям наиболее экономичные размеры подошвы фундамен та могут быть получены при s= su. Это дает основание, приняв за предельную осадку s„=10 см, по кривой s=f(p) определить со ответствующее давление под подошвой фундамента />=370 кПа ипо этому значению найти ширину подошвы ленточного фундамен та b=Fvjp=580/370=1,57 м = 1,6 м. Экономия в расходе железобе тона составляет в данном случае 20%.
Рассмотренный пример показывает, что даже при решении про стейшей инженерной задачи применение современных достижений механики грунтов в сочетании с численным методом анализа позво ляет проектировать экономичные фундаменты конструкции с на дежным расчетным обоснованием.
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 мероприятии, во много раз превышающих стоимость фундаментов.
246
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 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
иустройству 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 эко номичного строительства сооружений. Эти вопросы специально рассматриваются 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 и сооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);
максимальное использование прочностных и деформационных
свойств грунтрв 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 нераномерным осадкам; мето дов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фун даментов и подземной части сооружений;
расчете и проектировании оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание — фундаменты — конст рукции сооружения».
247
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 и 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 я фундаментов. Проектирование оснований и фундаментов включает ряд операций, которые обычно выполняются в указанной ниже последователь ности.
1. Оценка результатов инженерно-геологических, инженерно-гео дезических 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
исейсмических условиях, инженерно-геологическом строении и ли тологическом составе толщи грунтов, наблюдаемых неблагоприят ных факторов (наличие просадочности 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
иподземных 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, 6 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
248
осадкам. Так, для инженерно-геологических условии Ш категорий сложности минимальное число выработок в пределах контура со оружения составляет 3...S, а максимальное расстояние между ни ми — 20...30 м. Глубина выработок должна не менее чем на 1...2 м превышать нижнюю границу сжимаемой толщи основания, а в слу чае слабых грунтов полностью прорезать их толщу.
Результаты изысканий должны содержать все необходимые дан 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.
Конечно, н в массовом строительстве в каждом конкретном случае имеется большое количество различных вариантов реше ний, позволяющих проявить искусство проектировщика. Основные положения такого подхода будут рассмотрены в соответствующих главах учебника. Здесь же ограничимся лишь общими соображени ями.
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-
250