Несущая способность деформации и осадки оснований сооружений СТРОИТЕЛЬНЫЕ

Несущая способность, деформации и осадки оснований сооружений СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ СНи. П 2. 01 -83

1. 1. Основания сооружений должны проектироваться на основе: а) результатов инженерно-геодезических, инженерногеологических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для строительства; б) данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, нагрузки, действующие на фундаменты, и условия его эксплуатации; в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений (с оценкой по приведенным затратам) для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов или других подземных конструкций.

• 1. 3. Грунты оснований должны именоваться в описаниях результатов изысканий, проектах оснований, фундаментов и других подземных конструкций сооружений согласно ГОСТ 25100 -95. • 1. 4. Результаты инженерных изысканий должны содержать данные, необходимые для выбора типа оснований и фундаментов, определения глубины заложения и размеров фундаментов с учетом прогноза возможных изменений (в процессе строительства и эксплуатации) инженерногеологических и гидрогеологических условий площадки строительства, а также вида и объема инженерных мероприятий по ее освоению. • Проектирование оснований без соответствующего инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается.

• 2. 2. Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первойпо несущей способности и второй- по деформациям. • Основания рассчитываются по деформациям во всех случаях и по несущей способности - в случаях, указанных в п. 2. 3. • В расчетах оснований следует учитывать совместное действие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (например, влияние поверхностных или подземных вод на физико-механические свойства грунтов).

Целью расчета оснований по несущей способности являются оценка прочности и устойчивости оснований, а также оценка возможности сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Оценивается возможность развития общего сдвига или выдавливания грунта из подошвы фундамента.

• Целью расчета оснований по деформациям является оценка абсолютных или относительных перемещений фундаментов … в таких пределах, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций и т. п. )… • Оценивается возможность развития обширной области необратимых пластических деформаций, в силу чего основание может утратить упругость.

Общий сдвиг Под общим сдвигом понимается выжимание грунта под действием давления от сооружения в стороны и вверх по разрезу. При этом под сооружением формируется жесткое ядро уплотнения, а по краям- области выпирания, разбитые сеткой поверхностей сдвига.

Общий сдвиг Рпр- предельно допустимое давление под фундаментом

Формирование поверхностей скольжения под жёстким штампом в момент предельного состояния (По Алексееву С. И. ) Возникает момент, когда при дальнейшем нагружении зоны пластических деформаций сольются в одной точке. При этом напряженном состоянии грунта, подошвой фундамента возникает переуплотненное треугольное ядро, оказывающие расклинивающий эффект, преобладают боковые смещения частиц грунта и формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате толща грунта теряет устойчивость.

Ядро уплотнения- жесткое ядро под поверхностью штампа. Физически представляет собой сильно уплотненный грунт, в котором бокового смещения частиц не происходит. Это ядро по мере развития осадки продавливает и деформирует нижележащие слои, сохраняя неизменными свою форму и размеры.

Трансконский элеватор (г. Виннипег, Канада 1913 г. ) по Ф. Г. Гаузе, 1927 До аварии После аварии

Быстрая загрузка элеватора полезной нагрузкой и не учет свойств несущего слоя грунта – глины привели к перегрузке основания и возникновению выпора грунта из-под фундамента. Построенное сооружение деформировалось и значительно накренилось, возникла аварийная ситуация. После катастрофы незначительно деформируемое сооружение осталось стоять под углом около 63° к горизонту. Впоследствии элеватор вернули в прежнее положение с помощью домкратов (по Алексееву С. И. , 2008)

Расчеты по несущей способности и деформациям базируются на уравнении Терцаги.

qo- предельная допустимая нагрузка (МПа) C- сцепление (МПа) - удельный вес (МН/м 3) b- ширина фундамента (м) l - длина фундамента (м) Nc, N , Nq- коэффициенты несущей способности (к-ты Терцаги)

• 2. 14. Доверительная вероятность расчетных значений характеристик грунтов принимается при расчетах оснований по несущей способности = 0, 95, по деформациям = 0, 85. • При соответствующем обосновании для зданий и сооружений I класса допускается принимать большую доверительную вероятность расчетных значений характеристик грунтов, но не выше 0, 99.

• Примечания: 1. Расчетные значения характеристик грунтов, соответствующие различным значениям доверительной вероятности, должны приводиться в отчетах по инженерногеологическим изысканиям. • 2. Расчетные значения характеристик грунтов с, и для расчетов по несущей способности обозначаются с. I, I и I, а по деформациям с. II, II и II.

Осадки Мы будем в основном рассматривать осадкидеформации возникающие в результате уплотнения грунта под давлением сооружения. В дисперсных грунтах осадки возникают за счет сжатия пористого пространства. В водонасыщенных дисперсных грунтах это сжатие сопровождается отжимом воды, а сам процесс именуется фильтрационной консолидацией.

Расчеты деформаций грунтовых оснований 1. Расчет по несущей способности по I-й группе предельных состояний (для сооружений I –го уровня ответственности и по особому заданию) 2. Расчет по деформациям по II-й группе предельных состояний (для всех типов сооружений) 3. Расчет осадок фунадментов • Метод послойного суммирования • Метод линейно деформируемого слоя и (или) линейно деформируемого полупространства

Расчеты Во всех расчетах используются расчетные значения показателей механических свойств для каждого из слоев. Слои выделяются как расчетные грунтовые элементы, характеризуемые набором расчетных значений показателей свойств.

Нормативные и расчетные значения ФМС • Нормативные значения характеристик определяют как среднестатистические, получаемые осреднением их частных значений, или отвечающие осредненным по частным значениям аппроксимирующим зависимостям между измеряемыми в опытах величинами (или функционально с ними связанными величинами), или зависимостям каких-то из этих величин от координат по одному из направлений. • Расчетное значение получают делением нормативного значения на коэффициент надежности по грунту. • 3. 6. Коэффициент надежности по грунту должен устанавливаться с учетом изменчивости и числа определений характеристики (числа испытаний) при заданной доверительной вероятности

Инженерно-геологический элемент • За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения и вида при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно), либо наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь. ИГЭ наделяют постоянными нормативными и расчетными значениями характеристик. Комплекс ИГЭ образует инженерно-геологическую модель объекта.

Термины • Число степеней свободы число независимых наблюдений, равное числу определений n характеристики минус число оцениваемых статистических параметров. • Расчетный грунтовый элемент (РГЭ) основная грунтовая единица, выделяемая с учетом применяемого при проектировании грунтового объекта расчетного или экспериментального метода…

РГЭ • За РГЭ принимают некоторый объем грунта не обязательно одного и того же происхождения и вида, в пределах которого нормативные и расчетные значения характеристик при проектировании грунтового объекта по условиям применяемого расчетного или экспериментального метода могут быть постоянными или закономерно изменяющимися по направлению (чаще всего по глубине). РГЭ может включать часть одного или несколько ИГЭ. Комплекс РГЭ образует расчетную геомеханическую модель объекта. • Примечание Объем, местоположение и конфигурацию ИГЭ и РГЭ устанавливают с учетом геологических данных и сведений об объекте строительства.

Вычисление расчетного значения

Расчет по несущей способности I-я группа предельных состояний) • Для выполнения расчетов необходимо иметь: сцепление (C), угол внутреннего трения ( ) и удельный вес грунта ( ). Удельный вес грунта при расчетах на акватории должен рассчитываться с учетом взвешивающего действия воды. • При расчете по несущей способности (СНи. П п. п 2. 14) доверительная вероятность расчетных значений характеристик грунтов принимается =0, 95 (при расчетах см. таблица Ж 2 ГОСТ 20522 -96). При этом в формулах расчетные показатели имеют индекс – I (сцепление (CI), угол внутреннего трения ( I) и удельный вес грунта ( I)).

• Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды определяется по формуле • = ( s - w)/ (1 + e) где: • s – удельный вес частиц грунта вычисляется: • s = s * g, где: • s – плотность частиц грунта кг/м 3 * 10 -6 • g – ускорение свободного падения = 9, 81 м/с2 • w – удельный вес воды = 0, 01 МН/м 3 • e – коэффициент пористости (безразмерный) • Например (0, 00268*9, 81 -0, 01)/(1+0, 663) = 0, 0098 МН/м 3

• Данная характеристика является нормативной т. к. расчет проведен по нормативным показателям. Для того чтобы перейти к расчетной необходимо разделить ее на коэффициент надежности по грунту. Здесь можно использовать коэффициент надежности полученный для расчетного показателя плотности частиц грунта (соответственно в зависимости от =0, 95 или =0, 85).

• Расчет оснований по несущей способности (по методике СНи. П 2. 01 -83) производится исходя из условия: • F C Fu/ n , где • F – расчетная нагрузка на основание, МН равная: • Fu – сила предельного сопротивления основания, в случае вертикальной нагрузки Fu=Nu, МН; • C – коэффициент условий работы • n – коэффициент по назначению сооружения, принимаемый равным 1, 2; 1, 15 и 1, 10 соответственно для зданий и сооружений I, II и III классов.

К-т условий работы

Скальные грунты • 2. 59. Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания, сложенного скальными грунтами Nu, к. Н (тс), независимо от глубины заложения фундамента вычисляется по формуле • Rc-расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта, к. Па (тс/м 2); • b`, l` -соответственно приведенные ширина и длина фундамента, м, вычисляемые по формулам: •

eb и el -соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента, м. В случае, если нагрузка вертикальная: Nu=Fu

Дисперсные (нескальные) грунты 2. 60. Сила предельного сопротивления основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, должна определяться исходя из условия, что соотношение между нормальными и касательными напряжениями по всем поверхностям скольжения, соответствующее предельному состоянию основания, подчиняется зависимости:

= σ * tgφI+ СI, где -касательное напряжение σ- нормальное напряжение СI – расчетное значение сцепления φI – расчетное значение угла внутреннего трения

Дисперсные нестабилизированные грунты 2. 61. Сила предельного сопротивления основания, сложенного медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами (при степени влажности Sr 0, 85 и коэффициенте консолидации с 107 см 2/год), должна определяться с учетом возможного нестабилизированного состояния грунтов основания за счет избыточного давления в поровой воде u. При этом соотношение между нормальными и касательными напряжениями принимается по зависимости:

= (σ – u) * tgφI+ СI, где -касательное напряжение σ- нормальное напряжение СI – расчетное значение сцепления φI – расчетное значение угла внутреннего трения u - избыточное поровое давление

Расчет вертикальной составляющей силы предельного сопротивления Nu выполняется по формуле: Nu = Fu = b’ * l’ * (N * *b’* I + Nq* q * d * I’ + NC* c* CI), где • b’ и l’ – соответственно приведенные ширина и длина фундамента, для круглых данное произведение равно А – площади фундамента, м 2. • N , Nq, NC - коэффициенты зависящие от угла внутреннего трения (Таблица 7, СНи. П). • q c - коэффициенты зависящие от формы фундамента, для круглой опорной плиты равны = 0, 75; q = 2, 5; c = 1, 3.

• b - ширина подошвы фундамента (опорного башмака), м; • I, I’ - осредненные значения удельного веса грунтов, залегающих соответственно ниже и выше подошвы фундамента, МН/м 3. • СI - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно подошвой фундамента, МПа. • d - глубина заложения фундамента (погружения подошвы башмака), м.

Таблица 7 (фрагмент)

Примечание к Таблице 7 • Примечания: 1. При промежуточных значениях I и ‘ коэффициенты N , Nq, Nc допускается определять по интерполяции.

Расчет по деформациям (II-я группа предельных состояний) • Для выполнения расчетов необходимо иметь: модуль деформации (E), сцепление (C), угол внутреннего трения ( ) и удельный вес грунта ( ). Удельный вес грунта при расчетах на акватории должен рассчитываться с учетом взвешивающего действия воды. • При расчете по деформациям (СНи. П п. п 2. 14) доверительная вероятность расчетных значений характеристик грунтов принимается =0, 85 (при расчетах см. таблица Ж 2 ГОСТ 20522 -96). При этом в формулах расчетные показатели имеют индекс - II: сцепление (CII), угол внутреннего трения ( II) и удельный вес грунта ( II). Модуль деформации не имеет индекса, т. к. используется только при расчете по деформациям и соответственно для него =0, 85.

РАСЧЕТ ПО ДЕФОРМАЦИЯМ По методике СНи. П 2. 01 -83 определяется расчетное сопротивление грунта (R, МПа) под фундаментом на различных глубинах вниз по разрезу до выполнения условия R p, где p – давление под фундаментом. Под R понимается такое давление, при котором глубина зон пластических деформаций (зон разрушений) достигает ¼ ширины подошвы фундамента.

Расчетное сопротивление грунта (R, МПа) В данном случае Р = R, т. е. давление от сооружения достигло критического значения h- глубина заложения фундамента b- ширина подошвы фундамента - удельный вес q- бытовое давление - зоны пластических деформаций (максимумов касательных напряжений) (по Алексееву С. И. )

Расчет выполняется по формуле: • R= C 1 * C 2 * (M *kz*b* II + Mq*d* II’ + MC*CII)/k, где • C 1 и C 2 - коэффициенты условий работы (Таблица 3 СНи. Па), для грунтов которые не приведены с СНи. П принимаются коэффициенты отражающие наиболее худшие условия; • k - коэффициент, равный 1 если прочностные характеристики “ “ и “с” определены непосредственными испытаниями;

• M , Mq, MC - коэффициенты зависящие от угла внутреннего трения. Определяются по таблице № 4 СНи. П 2. 01 -83 или же, для промежуточных значений угла внутреннего трения, их можно вычислить по формулам: • M = /4; Mq = 1+ ; MC= * ctg ; где = /(ctg + - /2) • kz - коэффициент зависящий от ширины подошвы фундамента

• b - ширина подошвы фундамента (башмака), м; • II, II’ - осредненные значения удельного веса грунтов, залегающих соответственно ниже и выше подошвы фундамента, МН/м 3; • СII - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно подошвой фундамента (башмака), МПа; • d – глубина заложения фундамента (погружения подошвы башмака), м.

Несущий слой Слой, который удовлетворяет условиям расчета по несущей способности и деформациям является несущим. При этом должно выполнятся условие h 0, 5 b (h- мощность слоя, b- ширина или диаметр основания). Несущий слой все же испытывает некоторые (относительно небольшие деформации) под действием веса сооружения. Эти деформации и являются осадкой фундамента. Их также требуется учитывать при проектировании и строительстве.

Осадка фундамента Осадка грунтового основания, согласно требований СНи. П 2. 01 -83, вычисляется методом послойного суммирования по формуле (Приложение 2):

• i- количество слоев • S – осадка основания, м. • - безразмерный коэффициент равный 0, 8. • h – толщина элементарного слоя, м, при этом должно выполнятся условие h 0, 4 b. • Ei – модуль деформации элементарного слоя, МПа. • zp, i – среднее дополнительное напряжение в элементарном слое, МПа.

Дополнительные напряжения- напряжения, возникающие в грунтовой толще под действием давления от сооружения. Равны полусумме указанных напряжений на верхней zi-1 и нижней zi -2 границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; Дополнительное вертикальное напряжение zp на глубине z вычисляется по формуле: • zp = * p 0, где • - коэффициент, принимаемый по табл. 1 Приложения 2 к СНи. П 2. 01 -83 стр. 30, в зависимости от формы фундамента и относительной глубины.

• p 0 - дополнительное вертикальное давление на основание, равное p 0 = р zg, 0, где • p – среднее давление подошвой фундамента, МПа. • zg, 0 – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента, МПа.

Таблица 1 к Приложению 2

Методы линейно-деформируемого слоя или линейнодеформируемого полупространства • 2. 39. Расчет оснований данным методом производится исходя из условия s su, (5) где s-совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом в соответствии с указаниями обязательного приложения 2 su-предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое в соответствии с указаниями … (СНи. П)

Расчет деформаций основания следует, как правило, выполнять, применяя расчетную схему основания в виде: • линейно деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи • линейно деформируемого слоя, если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Нс, определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E 1 100 МПа (1000 кгс/см 2) и толщиной h 1, удовлетворяющей условию где Е 2 - модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е 1;

• б) ширина (диаметр) фундамента b 10 м и модуль деформации грунтов основания E 10 МПа (100 кгс/см 2). Толщина линейно деформируемого слоя H в случае «а» принимается до кровли малосжимаемого грунта, в случае «б» вычисляется в соответствии с указаниями п. 8 обязательного приложения 2. Примечание. Схему линейно деформируемого слоя допускается применять для фундаментов шириной b 10 м при наличии в пределах сжимаемой толщи слоев грунта с модулем деформации E < 10 МПа (100 кгс/см 2), если их суммарная толщина не превышает 0, 2 H.

схема к расчету осадок с использованием расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого слоя.

DL – отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В. С нижняя граница сжимаемой толщи; d и dn глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b ширина фундамента; р - среднее давление подошвой фундамента; р0 - дополнительное давление на основание; zg и zg, 0 – вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; zp и zр, 0 – дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; Нс – мощность сжимаемой толщи.

Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве