Главная » Литература » Основания, фундаменты, подземные сооружения » Далматов - Расчет оснований зданий и сооружений по предельным состояниям
Далматов - Расчет оснований зданий и сооружений по предельным состояниям
Б. И. ДАЛМАТОВ д-р техн. наук
ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ иИ СООРУЖЕНИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
ЛЕНИНГРАД 1968
В книге рассматриваются вопросы расчета оснований по предельным состояниям, приводятся: упрощенный метод выбора нормативного давления на грунт основания; определение размеров подошвы центрально - и внецентренно загруженных фундаментов; расчет осадки фундамента различными методами, включая новый метод ограниченной мощности сжимаемой толщи; упрощенный метод расчета осадки фундамента с учетом загружения соседних фундаментов и площадей; упрощенный метод расчета устойчивости фундаментов при действии вертикальной нагрузки. Даются справочные таблицы, графики и примеры расчетов.
Книга предназначена для инженеров-строителей, проектирующих фундаменты промышленных и гражданских зданий и сооружений, а также для специалистов, выполняющих инженерно-геологические изыскания.
ВВЕДЕНИЕ
Всякое надземное сооружение несет тс или иные нагрузки, включая собственный вес. Обычно они передаются через фундаменты на основание, состоящее, как правило, из слоев грунта или скальных пород.
Материалы, из которых возводятся фундаменты (каменная кладка, бетон, железобетон), во много раз прочнее и обладают существенно меньшей деформативностью, чем грунты даже хорошего качества (песок, глина и т. п.). По этой причине при проектировании фундаментов значительное внимание приходится уделять вопросам обеспечения устойчивости (прочности) основания и оценке деформаций грунтов, в результате которых развивается осадка фундаментов и, следовательно, сооружения.
Развитие неравномерных осадок в отдельных точках сооружения может привести к недопустимому его искривлению. Поэтому главной заботой при проектировании фундаментов является выбор таких основных размеров его (глубины заложения и размеров подошвы), при которых деформации грунтов основания не приводили бы к чрезмерным неравномерным осадкам. Следовательно, размеры подошвы фундаментов приходится устанавливать с учетом деформации грунтов в основании. Кроме того, иногда необходимо производить проверку устойчивости основания.
В течение двух последних столетий строители определяли размеры подошвы фундаментов преимущественно в зависимости от величины допускаемого давления на грунт, причем величина этого давления сначала принималась как характеристика грунта основания. В дальнейшем на основе работ русских ученых Г. Е. Паукара, С. И. Бельзецкого, П. А. Миняева, Н. М. Герсеванова, И. П. Пузыревского и др. допускаемое давление стали принимать с учетом глубины заложения и ширины подошвы фундамента. Однако учет этих размеров производился сообразуясь с устойчивостью основания. На сооружениях же иногда возникали трещины вследствие того, что отдельные фундаменты получали неодинаковые (неравномерные) осадки от нагрузок, которые значительно меньше нагрузок, приводящих к потере устойчивости грунтов основания.
По этой причине проектирование фундаментов по допускаемому давлению на грунт не гарантировало сохранное состояние сооружений. В то же время во многих случаях фундаменты возводились с большим неоправданным запасом, вызывающим излишнее расходование средств. Еще в
После выхода в свет СНиП [33] фундаменты рекомендуется проектировать по предельным состояниям. При этом фундаменты промышленных и гражданских зданий и сооружений в подавляющем большинстве случаев достаточно рассчитать по предельному состоянию по деформации. Однако существующие методы расчета деформации грунтов оснований (осадки) сравнительно громоздки и в.ряде случаев, особенно при учете загружения соседних фундаментов, не отражают фактическое развитие осадок. Поэтому ниже наряду с изложением основных методов расчета осадки дается достаточно простои метод ограниченной сжимаемой толщи грунтов [12 и 13].
При проектировании несущих конструкций зданий и сооружений следует помнить, что они работают совместно с грунтами основания и что деформации последнего в известной степени отражаются на деформации несущих конструкций. Расчет по предельному состоянию по деформации позволяет выявить ожидаемые искривления сооружения и в некоторых случаях, изменяя размеры подошвы фундаментов, несколько уменьшить (смягчить) эти искривления. Иногда более правильным решением может быть внесение изменений в характер несущих конструкций с целью уменьшения их чувствительности к возможным неравномерным осадкам при данном основании. О таком решении задачи не следует забывать, так как оно может оказаться наиболее рациональным. Приемы уменьшения чувствительности конструкций к неравномерным осадкам изложены в работах [5, 6, 9, 11, 24]. Однако основным в расчете фундаментов все же является расчет осадок, в связи, с чем необходимо отметить, что фактические осадки при неправильном производстве работ по возведению фундаментов могут существенно отличаться от расчетных.
В общем случае суммарная осадка фундамента слагается из четырех составляющих, каждая из которых вызывается различными причинами:
Если под всеми точками сооружения суммарная осадка будет одинакова (равномерная осадка), то сооружение переместится по вертикали без искривлений. Такие случаи исключительно редки; чаще осадки неравномерны. Осадки уплотнения 5 очень часто неравномерны по следующим основным причинам (рис. I):
а) выклинивание отдельных слоев грунта основания в
пределах контура здания;
б) линзообразное залегание отдельных видов грунта;
в) неодинаковая мощность слоев грунта в основании;
г) неодинаковая плотность грунта в основании или неравномерное распределение различных включений (торфянистых, валунов и др.);
д) неодинаковая нагрузка на фундаменты сооружений, а следовательно, неодинаковые размеры подошвы отдельных фундаментов при одной и той же интенсивности давления по их подошве;
е) большее влияние загружения соседних фундаментов на осадку фундаментов в средней части сооружения и меньшее — на осадку крайних и угловых фундаментов;
ж) неодновременное загружение фундаментов в период постройки сооружений;
з) загружение части фундаментов нагрузкой, меньше проектной;
и) заложение фундаментов на различной глубине на неодинаково сжимаемые грунты.
Эти причины могут привести к развитию недопустимых деформаций зданий и сооружений при наличии в основании относительно сильно сжимаемых слоев грунта, а также при больших нагрузках, передаваемых на фундаменты. Величины ожидаемых неравномерностей осадок уплотнения в большинстве случаев устанавливаются расчетом, если, конечно, известно в деталях напластование грунтов и их сжимаемости (модуль деформации или коэффициент относительной сжимаемости). При малой сжимаемости грунтов основания ожидаемая неравномерность осадки, как правило, не превышает допустимых величин.
Осадка разуплотнения развивается под действием нагрузки, не превышающей величину природной, т. е. нагрузки, равной весу вынутого грунта при откопке котлована. Это объясняется тем, что при удалении грунта из котлована и уменьшении гидростатического давления происходит разуплотнение грунтов. Кроме того, в результате возникновения в основании нового напряженного состояния под действием давления грунта, располагающегося вокруг дна котлована, развиваются упругие деформации, что приводит к неравномерному поднятию дна котлована, а в последующем к неравномерным осадкам. Это происходит по следующим причинам:
1) неодинаковое поднятие дна котлована вследствие причин, вызывающих неравномерные осадки уплотнения (см. рис. 1, а, б, в, г, и);
2) большее вспучивание грунтов под центральной частью котлована, чем по краям и в углах;
3) различная продолжительность времени, в течение которого разуплотняются грунты основания под отдельными частями сооружения.
В большинстве случаев при возведении зданий и промышленных сооружений на фундаментах, имеющих заглубление не более
Влияние осадок разуплотнения следует учитывать при отрывке глубоких котлованов и устройстве фундаментов, вес которых вместе с обратной засыпкой меньше веса вынутого грунта из котлована.
Осадка разуплотнения может быть определена расчетом аналогично осадке уплотнения, но при этом вместо деформационной характеристики сжимаемости грунта следует принимать характеристику его набухаемости с учетом фактора времени, в течение которого грунты основания получают разгрузку. Осадки выпирания развиваются за счет пластических деформаций грунтов, сопровождающихся процессом выдавливания их из-под фундаментов в стороны. Если напряжения по подошве фундаментов не превосходят величину нормативного давления, то осадки за счет развития пластических деформаций незначительны. Наибольшее влияние на развитие неравномерных осадок могут оказать осадки расструктуривания, вызванные нарушением структуры грунтов основания при отрывке котлованов и устройстве фундаментов. Эти осадки связаны с увеличением сжимаемости и уменьшением сопротивления грунтов сдвигу при нарушении структуры, поэтому очень часто зависят от способа производства земляных работ, характера водоотлива, продолжительности работ с момента начала отрывки котлована до момента обратной засыпки грунта за пазухи фундаментов, а также от мероприятий, направленных на сохранение структуры грунтов основания.
К причинам развития неравномерных осадок расструктуривания грунтов основания относятся (рис. 2) метеорологические воздействия, воздействия грунтовых вод и газа, динамические воздействия механизмов и грубые ошибки строителей.
В результате метеорологических воздействий может происходить (см. рис. 2) :
а — пучение при промерзании и просадка при оттаивании грунтов в основании и около фундаментов как при устройстве фундаментов, так и во время возведения самого сооружения;
б — набухание и размягчение грунтов основания вследствие увлажнения их атмосферными осадками;
в — высыхание грунтов основания под действием солнечной радиации и ветра. Вследствие воздействия грунтовых вод и газа может происходить расструктуривание грунта (см. рис. 2):
г, д — в результате деформации и разрушения слоев грунта под действием гидростатического давления;
е — под воздействием гидродинамического давления;
ж—из-за механической суффозии грунта потоками грунтовых вод, поступающих в котлованы или приямки.
Расструктуривание наблюдается также в результате расширения и выделения растворенного газа при уменьшении гидростатического давления в грунтовой воде.
Динамические воздействия, механизмов могут привести к существенному нарушению структуры грунта ниже дна котлована. К динамическим воздействиям особо чувствительны водонасыщенные пылеватые грунты (супеси, суглинки, ленточные глины).
Исследования показывают, что простое перемятие грунта с сохранением его влажности и объемного веса часто приводит к резкому уменьшению сопротивляемости его сдвигу преимущественно за счет уменьшения сцепления и увеличению сжимаемости в 2 и более раз.
Кроме изложенных выше причин, иногда имеет место нарушение структуры грунтов основания из-за грубых ошибок строителей. К ним чаще всего относятся: перебор грунта и некачественная его обратная укладка; разработка глубоких котлованов около фундаментов, имеющих существенно меньшую глубину заложения; преждевременная откопка котлованов; затопление котлована производственными или хозяйственными водами.
Осадки расструктуривания должны быть сведены к минимальной величине путем правильного выбора способа производства строительных работ, обеспечивающего сохранение структуры грунтов основания.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ ПО ДЕФОРМАЦИИ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При проектировании расчет основания здания или сооружения производится с целью нахождения наиболее экономичного решения по выбору размеров фундаментов, удовлетворяющих двум положениям: ограничениям, накладываемым на осадки проектируемого здания или сооружения, и устойчивости основания.
Расчет оснований всех зданий и сооружений в соответствии с требованиями СНиП П-Б.1-62* [33] производится по второму предельному состоянию (по деформации), если основание сложено несколькими грунтами (породами).
По первому предельному состоянию (по несущей способности, т. е. устойчивости) расчет ведется в случаях, когда: на основание передаются горизонтальные нагрузки в основном сочетании нагрузок (подпорные стенки и др.); основания ограничены вниз идущими откосами; фундаменты работают на выдергивание; основания сложены скальными породами.
Главной задачей расчета оснований подавляющего большинства зданий и сооружений является проверка выполнения условия, согласно которому деформации, определяемые по расчету, не должны превышать предельных величин, ограниченных Для обычных типов зданий нормами. Предельные величины деформаций специальных сооружений, а также зданий с особыми несущими конструкциями назначаются исходя из обеспечения нормальных условий их эксплуатации.
При определении размеров подошвы фундамента по предельной величине осадки или неравномерности осадок приходится вводить второе ограничение, которое вызвано тем, что в настоящее время относительно точно можно определить осадку фундамента, если в большей части объема основания обеспечивается прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями. Для этого СНиП рекомендует ограничить интенсивность давления по подошве фундамента величиной, при которой развитие зон пластических деформаций (зон местного нарушения прочности основания) распространяется в глубину основания не более чем на четверть ширины подошвы фундамента.
Давление, при котором развитие зон пластических деформаций достигает глубины, равной четверти ширины подошвы фундамента, называется нормативным давлением на грунт основания. При этом и меньшем давлении деформации основания могут определяться как для линейно деформируемого тела. Величина зависит от ширины подошвы фундамента, глубины его заложения и сопротивления грунта сдвигу.
Для эксцентрично нагруженных фундаментов вводится дополнительное ограничение: величина краевого давления не должна превышать. Увеличение краевого давления на 20% по сравнению с объясняется тем, что это повышенное давление действует в пределах небольшой части подошвы фундамента и, следовательно, незначительно отражается на величине осадки тем более, что под противоположным краем фундамента зона пластических деформаций меньше четверти ширины подошвы или полностью отсутствует.
При малосжимаемых грунтах, а также при сравнительно небольших нагрузках (здания до шести этажей) ограничение величины нормативного давления на грунт часто является решающим. В этом случае величина осадки фундамента по расчету оказывается существенно меньше предельного значения, однако уменьшать размеры подошвы фундамента нельзя, так как при этом резко возрастают зоны пластических деформаций. Поэтому допускаются упрощения расчета: для случаев, указанных в табл. 12 СНиП П-Б. 1-62* считают, что условия, накладываемые на деформации, выполнены, если напряжение по подошве фундаменте не превосходит величину нормативного давления на грунт. Еще проще назначаются предварительные размеры фундаментов при основании, сложенном горизонтальными, выдержанными по толщине слоями грунта, и окончательные размеры фундаментов зданий и сооружений III и IV классов. В этом случае допускается определять величину нормативного давления по табл. 14 СНиП П-Б. 1-62* в зависимости только от характера грунта основания.
Таким образом, расчетом естественного основания в общем случае необходимо убедиться в том, что среднее давление по подошве не превосходит нормативное, а краевое давление, деформации основания не превышают предельных величин и основание устойчиво. В отмеченных выше случаях, допускающих упрощения, расчеты деформации и устойчивости основания не производятся.
Обычно придерживаются следующего порядка расчета основания по деформации:
1. Производится подсчет нагрузок, действующих на обрезы фундаментов здания или сооружения.
2. Оцениваются инженерно-геологические условия площадки строительства, устанавливаются необходимые нормативные и расчетные характеристики грунта.
3. Намечаются возможные варианты глубины заложения и типа фундаментов (сплошная плита, ленточный и т. п.).
4. Устанавливается группа фундаментов, при расчете основания которых принимается окончательное решение по выбору типа основания (естественное, искусственное), типа фундамента (отдельный, ленточный, сплошной, свайный и т. п.), глубины их заложения.
В такую группу включают наиболее нагруженные фундаменты и фундаменты, которые могут получить наибольшую неравномерность осадки (прогиб, перекос, крен).
5. Рассчитывается ширина фундамента (сначала наиболее нагруженного) с одновременным определением величины нормативного давления на грунт, при этом задаются соотношением сторон подошвы. Для III и IV классов сооружений величина нормативного давления устанавливается по табл. 14 (СНиП И-Б.1-62*).
Размеры подошвы вычисляются в зависимости от величины нормативного давления.
6. Назначаются размеры подошвы фундамента по произведенному расчету с учетом модульной системы конструкций фундаментов.
7. Производится проверка средней величины напряжений по подошве фундамента и величины краевых напряжений (при внецентренном нагружении), затем эти величины сравниваются с нормативным давлением на грунт при данной ширине фундамента.
8. Расчетом определяется осадка фундамента и сравнивается с предельно допустимым значением.
9. В тех случаях, когда найденная осадка больше предельного ее значения, изменяют размеры фундамента (глубину заложения, соотношение сторон и ширину подошвы), добиваясь выполнения условия расчета фундамента по деформации. Если такое решение оказывается нерациональным, принимают другой тип фундаментов или основания и повторно производят расчет.
10. Расчетом определяются осадка и неравномерности осадок фундаментов, при этом учитывается загружение соседних фундаментов и в некоторых случаях соседних площадей (нагрузка на пол по грунту, от подсыпки территории и т. п.).
11. Если найденные значения осадок и их неравномерности окажутся больше предельных величин, то, изменяя намеченное решение, добиваются выполнения условия расчета фундаментов по деформации (см. п. 9).
12. Расчет всех остальных фундаментов здания или сооружения производят в указанной выше последовательности, за исключением пунктов, решение по которым является общим. В некоторых случаях производят проверку устойчивости оснований (производят расчет по несущей способности).
§ 2. НАГРУЗКИ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ ОСНОВАНИЙ
При расчете основания по деформации и устойчивости сбор нагрузок, действующих в плоскости подошвы фундамента, в общем случае должен производиться в соответствии со статической схемой сооружения. Для упрощения расчета в подавляющем большинстве случаев при составлении такой схемы условно принимают защемление несущих конструкций в плоскости обреза или подошвы фундаментов. Кроме того, считают, что фундаменты, на которые опираются неразрезные конструкции (многопролетные рамы, балки и т. п.), имеют одинаковую осадку.
Первое упрощение обычно приводит к некоторому дополнительному запасу устойчивости основания и уменьшению фактического поворота фундамента, поскольку момент при полной заделке конструкции в фундаменте получается больше, чем при учете упругого поворота за счет деформации грунтов основания. Второе упрощение основано на том, что группу фундаментов, поддерживающих неразрезную конструкцию, стремятся спроектировать так, чтобы осадка отдельных опор была одинаковой и, во всяком случае, неравномерность осадки основания меньше предельно допустимого значения. Неравномерность осадки грунтов основания отдельных фундаментов, поддерживающих неразрезную конструкцию, приведет к перераспределению давления на них: на фундаменты, получающие меньшую осадку, давление увеличится за счет разгрузки фундаментов, имеющих более податливое основание. Это перераспределение давления наиболее значительно при неразрезных конструкциях, обладающих большой жесткостью.
В конечном итоге за счет совместной работы грунтов основания и неразрезной надземной конструкции происходит выравнивание осадок. Следовательно, уменьшается ожидаемая неравномерность осадок, которая при расчете основания без учета его совместной работы с неразрезными несущими конструкциями не должна превышать предельно допустимого значения. При предварительных расчетах, когда еще не определены усилия, передаваемые неразрезными конструкциями на фундаменты, допускаются существенные упрощения. В этом случае вертикальные усилия от колонн, стоек рам и стен определяют без учета неразрезности опирающихся на них конструкций. Размеры грузовой площади от перекрытий и покрытий со всех сторон вычисляют исходя из того, что с каждой стороны нагрузка передается с половины пролета; такое упрощение иногда принимают и при окончательном расчете центрально нагруженных фундаментов. Определение момента при указанном упрощении в большинстве случаев недопустимо, поэтому окончательная проверка размеров подошвы фундамента при значительном моменте должна производиться с определением усилий в соответствии со статической схемой сооружения.
Рассмотрим простейший случай определения усилия, передаваемого па обрез фундамента стеной многоэтажного здания. Если не учитывать статическую схему сооружения, то вследствие внецентренного приложения нагрузки от перекрытии (рис. 3) момент, передаваемый на фундамент, должен был бы равняться сумме моментов от перекрытий. Это значит, что можно принять расчетную схему, изображенную на рис. 3,6. Но эта схема реальна, если возможна деформация, показанная пунктиром. Поскольку перекрытия исключают горизонтальные перемещения стены, то в качестве расчетной следует принять схему, изображенную на рис. 3, в. При расчете по этой схеме действующий момент будет много меньше взятого по предыдущей схеме и направлен в противоположную сторону.
Аналогичная картина наблюдается и при определении моментов, передаваемых на фундаменты рамными и другими неразрезными конструкциями. Поэтому при определении момента нельзя слепо следовать рекомендации СНиП П-Б.1-62* о допустимости расчета усилий, передаваемых на фундаменты, без учета неразрезности конструкций.
Величины нагрузок на основание определяются согласно указаниям глав СНиП И-А.10-62 и П-А.11-62 [34, 31]. С целью упрощения допускается определять суммарную нормативную нагрузку на основание по усилиям от расчетных нагрузок из выражения
Вес фундамента и грунта над его уступами проще вычислять сразу как нормативную нагрузку. При внецентренно нагруженных фундаментах момент от нормативных нагрузок можно также определять путем деления величины момента от расчетных нагрузок, действующего в плоскости подошвы фундамента, на указанный выше средний коэффициент перегрузки.
В тех случаях, когда расчетом устанавливается неравномерность осадки, важно правильно определить (без завышения или занижения) нормативную нагрузку. Поэтому при подсчете величины временных нагрузок необходимо учесть фактические нагрузки, приходящиеся на несущие конструкции и, в частности, на перекрытия.
При определении неравномерности осадки следует с осторожностью относиться к оценке временных нагрузок, которые необходимо учитывать при расчете фундаментов по деформации. Для наглядности рассмотрим суммарную временную нагрузку на площадки и марши многоэтажного здания. При наличии лифта в жилых зданиях лестница используется в исключительных случаях (при подъеме громоздких вещей, аварии лифта и т. п.). Таким образом, в условиях нормальной эксплуатации марши и площадки лестницы практически не загружены. По расчету же в соответствии со СНиП II-A.11-62* суммарная нагрузка на лестницу шестнадцатиэтажного здания достигает 45 т.
Аналогичное положение наблюдается и при проектировании многоэтажных производственных зданий, в которых нагрузка на перекрытия задается для случая наихудшего размещения оборудования и материалов. При расчете фундаментов по деформации на величины полезных нагрузок следует вводить понижающие коэффициенты, сообразуясь с реальными условиями эксплуатации уже построенных сооружений.
Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нагрузок. В основное сочетание входят постоянные и длительно действующие временные нагрузки, а также одна из возможных кратковременных нагрузок (наиболее существенно влияющая в данном случае на деформацию основания). К сожалению, влияние периодически действующих кратковременных нагрузок на деформации различных грунтов оснований пока еще недостаточно изучено. Известно, что слабо фильтрующие глинистые грунты, у которых поры полностью заполнены водой, деформируются во времени очень медленно. Во многих случаях нарастание осадки сооружений за счет развития фильтрационной консолидации и деформаций ползучести протекает в течение многих лет и даже десятилетий. Поэтому кратковременная нагрузка, действующая в течение нескольких минут и даже часов, приводит лишь к небольшой доле деформации, которая могла бы развиться, если бы эта нагрузка была постоянной. Как будет развиваться деформация водонасыщенных глинистых грунтов при многократном приложении кратковременной нагрузки, установить трудно.
К кратковременным нагрузкам на перекрытие СНиП относит вес людей, мебели, лёгкого оборудования и снеговые нагрузки. Некоторая часть их действует в течение нескольких месяцев и даже лет. Есть основание полагать, что под действием таких нагрузок развиваются деформации даже водонасыщенных глинистых грунтов.
Песчаные хорошо фильтрующие грунты, а также неводонасыщенные глинистые грунты деформируются во времени значительно быстрее, поэтому они дают осадку даже при относительно непродолжительном их загружении. Изложенное заставляет при выборе кратковременных нагрузок, входящих в состав основного сочетания, учитывать характер грунтов в основании. Если грунты способны относительно быстро деформироваться во времени (песок, неводонасыщенный глинистый грунт), то выбирается кратковременная нагрузка, вызывающая развитие либо наибольшей нормативной сжимающей силы, либо наибольшего момента. При наличии в основании водонасыщенных слабофильтрующих грунтов (глина, суглинок) целесообразно брать наибольшую кратковременную нагрузку, которая действует в течение относительно длительного периода времени без перерывов или периодически появляется и исчезает при длительном суммарном периоде времени воздействия этой нагрузки.
Расчет оснований по устойчивости (по несущей способности) производится на основное, дополнительное или особое сочетание расчетных нагрузок. При этом основание рассчитывают исходя из наибольших величин усилий независимо от продолжительности их действия.
...