Крены зданий и сооружений

Глава 1. Принципы проектирования оснований и фундаментов.

1. 1. Общие положения.Фундаменты, являясь обязательной частью любого здания и большинство сооружений, значительно отличаются по своей работе от остальных строительных конструкций. Их основная задача обеспечить – передачу нагрузи от сооружения на грунты основания, которые в большинстве случаев являются слабым природным материалом по сравнению с материалом конструкции здания. Под воздействием нагрузок от сооружения грунт, в основном, работает на сжатие и на сдвиг, что приводит к деформациям основания и осадка зданий.

Таким образом, задача проектирование в основном состоит в «приспособлении» сооружения к геологическим условиям площадки строительства и в комплексном рассмотрении системы «основание-фундамент-сооружение».

В основу проектирования оснований и фундаментов заложены следующие принципы:

1. Проектирование оснований зданий и сооружений по предельным состояниям.
2. Учет совместной работы системы «основание-фундамент-сооружение».
3. Комплексный учет факторов при выборе типа фундаментов, несущего и подстилающих слоев основания в результате совместного рассмотрения, в том числе:

• Инженерно-геологических условий площадки строительства;
• Особенности сооружения и его конструкции к неравномерным осадкам;
• Методов выполнения работ по подготовке оснований и устройству фундаментов.

1. 2. Предельные состояния оснований сооружений.

Под действием массы конструкции и полезных нагрузок от сооружений фундаменты, возведенные на дисперсных грунтах, получают вертикальные перемещения- осадки, как правило, не равномерные. Это может стать причиной возникновения деформации в надземных конструкциях зданий и сооружений приводящие к нарушению нормальной эксплуатации здания. Поскольку те или иные величины осадок получают все сооружения, то расчет оснований, прежде ведется по второй группе предельных состояний, т.е. по деформациям.

В соответствии со СНиП 2.02.01-83 этот расчет производится из условия

S≤Sn,

Где S– совместная деформация оснований и сооружений, определяется расчетом глава 3. Sn— предельное значение совместной деформации оснований и сооружения, устанавливаемое СНиП.

Неравномерные являются весьма неблагоприятными для их конструкций, поэтому наиболее важным является выполнение условий.

(Δs/L)≤(Δs/L)nили i≤in

Δs– разность между осадками соседних фундаментов, определяется расчетом;L-раcстояние между осями рассматриваемых соседних фундаментов; (Δs/L) – предельно допустимое значение относительно не равномерности осадки;i– крен сооружения по расчету, in– предельно допустимый крен сооружения.

Целями расчета оснований по несущей способности являются обеспечение прочности и устойчивости грунтов основания, особенно на слабых водонасыщеных грунтах, недопущение сдвига фундамента по подошве и опрокидывания или оползания на откосах. Расчеты этого вида касаются первой группыпредельных состояний.

Для промышленных и гражданских сооружений, как правило, основным является расчет оснований по деформациям, так как они устанавливаются из условий нормальной эксплуатации самих сооружений. Расчеты по первой группе предельных состояний служат в качестве поверочных в тех случаях, когда основание может потерять прочность, а сооружение устойчивость.

1. 3. Основные типы сооружений по жесткости и характер их деформаций.

Жесткость сооружений. В зависимости от чувствительности к деформациям основания все здания и сооружения можно условно разделить на три типа: абсолютно гибкие, абсолютные жесткие и конечной жесткости.

Абсолютные гибкие сооружения.Такие сооружения беспрепятственно следуют за перемещениями поверхности грунтов основания во всех точках так, что дополнительных усилий при развитии не равномерных осадок в их конструкции не возникает. Примером таких конструкций являются насыпи (полотно автодорог, земельные дамбы и другое). К этому же типу сооружений относят днища металлических вертикальных цилиндрических резервуаров, которые без ущерба для прочности могут получать большой прогиб.

Абсолютно жесткие сооружения.Подошва таких сооружений сохраняет свою жесткую форму при развитии любой деформации основания. У таких сооружений неравномерная осадка – крен. Выравнивание осадок происходит за счет развития в конструкциях сооружения дополнительных усилий. Давление от жесткого сооружения на грунт распределяется равномерно, а реактивное давление в грунте распределяется по криволинейной эпюре. К сооружениям такого типа относится дымовые трубы, домны, элеваторы, атомные реакторы, массивные мостовые опоры и.т.п.

Конечная жесткость.Они также перераспределяют давление по подошве фундамента, однако частично следуют за искривлением поверхности основания. Дополнительные усилия вызывают деформации и образования трещин в элементах конструкции. Это происходит тогда, когда усилия превышают прочность конструкции. При возникновении трещин жесткость сооружения снижается, а давление вновь перераспределяется. Для исключения возникновения возможности развитие недопустимых трещин необходимо рассматривать совместную работу сооружения и основания.

Виды деформации оснований и сооружений. В зависимости от причин возникновения деформации оснований проявляются в виде вертикальных, горизонтальных и угловых перемещений. Возможные виды и формы неравномерных деформаций сооружений и оснований подразделяются на указанные далее виды.

1. Абсолютная осадкажесткого сооружения либо отдельно стоящего фундамента s– определяется, как среднее вертикальное перемещение подошвы фундамента.
2. Прогиб и выгибсвязанные с искривлением сооружения. Такого вида деформация характерны для многих зданий и сооружений, не обладающих очень большой жесткостью. Протяженные здания на одних участках могут получать прогиб, а других участках выгиб. Чем большей жесткостью обладает сооружение, тем большие возникают усилия возникают.

Относительная неравномерность при прогибе или выгибе сооружения определяется по формуле:i=2f/l
где f=(S2-S1) –стрела прогиба или выгиба. l– длина участка прогиба или выгиба.

3. Перекос возникает в конструкциях в случае, когда резкая неравномерность осадок проявляется на участке не большой протяжённости при сохранении вертикального положения конструкции. Такой вид деформации характерен для каркасных зданий.

Относительная неравномерность при перекосе сооружения определяется по формулеi=(S2-S1)/l, где S2 и S1 где осадка соседних фундаментов на участке l.

4. Крен – поворот сооружения по отношению к вертикальной оси, проходящая через центр тяжести площади подошвы фундамента. Такой вид деформации наиболее опасный. В этом случае крен приводит к развитию дополнительных моментов, которые в свою очередь способствуют к увеличению крена, что может привести к потере устойчивости сооружения и его опрокидыванию.

Относительная неравномерность при крене сооружения определяется по формулеi=tgӨ

5. Закручиваниевозникает при неодинаковым крене сооружения по его длине и при развитии крена в двух сечениях сооружения в разные стороны. При этом виде деформации дополнительные усилия возникают не только в стенах, но и в конструкциях перекрытий, которые могут изгибаться или перемещаться в горизонтальном направлении.
6. Горизонтальное перемещение фундаментоввозникают, если опирающиеся конструкции передают значительные горизонтальные усилия (распорные конструкции, подпорные стенки, мостовые опоры и т.п.).

1. 4. Причины не равномерных осадок фундаментов мелкого заложения.

По мнению Б.И. Далматова, осадка фундамента в общем случае может представлена как сумма пяти слагаемых:

S=Sупл Sразупл Sвып Sрасстр Sэкспл

Где Sупл– осадка в результате уплатнения грунтов ненарушенной структуры при увеличении напряжений от нагрузки на фундамент; S разпл– осадка, связанная с разуплотнением верхних слоев грунта, залегающие ниже дна котлована, -из-за уменьшения в них напряжений при разработке грунта. Sвып– осадка в результате выдавливания (выпирания) грунта из-под фундамента при развитии пластических деформаций;Sрасстр– осадка реструктурирования, развивающуюся в следствии увеличении сжимаемости грунтов при нарушении их природной структуры во время производственных работ; Sэкспл– осадк3а обусловлена изменением напряженного состояния или декоративности грунта основания в период эксплуатации здания или сооружения.

Как правило, каждое из этих слагаемых вызывает неравномерное развитие осадок фундаментов и, в основном, зависит от дух основных причин: неоднородного напряжения состояния грунтов в основании рассматриваемого сооружения и неравномерной сжимаемости грунтов в основании под площадью загружения.

Не равномерные осадки уплотнения Sупл.Под воздействием напряжения, превышающих природное давление, грунт деформируется. Деформации развиваются в последствии уменьшение пор грунта (уплотнение) и искажения формы отдельных частиц или агрегатов грунта (упругие деформации). Упругие деформации обычно во многом раз меньше остаточных. В связи с этим осадки развивающиеся под воздействием внешней нагрузки, называют осадками уплотнения, хотя в них входят упругие деформации. Осадки уплотнения под отдельными частями сооружения обычно не одинаковы из-за неоднородности основания и не однородности напряженного состояния грунтов в основании.

Неоднородность основания обусловлена:

• Выклиниванием слоев (рис. 1.4. а)
• Линзообразным залеганием различных грунтов (1.4. б)
• Неодинаковой толщиной слоев (рис. 1.4. в)
• Неоднородностью грунтов (1.4. г)
• Использованием слоев разных грунтов под отдельными частями сооружения (передача давления от тяжелой части здания на более плотный подстилающий грунт (рис 1.4. д)
• Неодновременной консолидацией грунтов в основании под различными частями сооружения (рис.1.4.е)

Неоднородность напряженного состояния грунтов в основании обуславливается:

• Неодинаковой загрузкой фундаментов, в связи с чем более загруженный фундамент приходиться делать большей ширины.
• Взаимным влиянием соседних фундаментов, в результате которого набольшее силовое воздействие испытывает основание фундаментов, расположенные в средней части здания, меньшее воздействие – основание фундаментов, расположенных по краям и в углах (1.4. з).
• Неодновременных загрузок фундаментов (1.4. и).
• Неполной загрузки фундаментов (1.4. к).

Неодновременная загрузка фундаментов часто происходит при возведении разнотипных несущих конструкций, например, при сооружении зданий с несущими внешними стенами и внутренними железобетонными колонами. В таком случае фундаменты наружных стен получают полную загрузку в процессе возведение стен; фундаменты колон в этот период времени загружаются в меньшей степени, поскольку получают большую часть нагрузки от устройства полов, перегородок и установки оборудования. Это создает неоднородность загрузки фундаментов, сто приводит к развитию трещин в несущих конструкциях. Иногда после полной загрузки перекрытия трещины закрываются.

Неравномерность осадки разуплотнения Sразупл.

Осадки разуплотнения развиваются под действием нагрузки, которая не превышает веса грунта, вынутого при отрывках котлована. При отрывке основания, уменьшается природное напряжение и происходит разуплотнение грунтов. Кроме того, под действием давления грунта, располагающиеся вокруг дна котлована, возникают упругие деформации, при глубоких котлованах могут появляться остаточные пластические деформации выпора. Таким образом происходит поднятие дна котлована. В дальнейшем могут развиваться не равномерные осадки фундаментов. Происходит это в результате:

• Большого разуплотнения грунтов под центральной частью котлована, чем по его краям и углах.
• Различной продолжительностью разуплотнения грунтов основания под разными фундаментами.
• Не одинаковое поднятие дна котлована в следствии неоднородности основания и неравномерности изменения напряженного состояния грунтов.

Величина осадки разуплотнения сопоставима с величиной поднятия дна котлована в процессе разгрузки грунтов основания определяемое механикой грунтов. С этой целью грунты испытывают не только на уплотнение, но и разуплотнение.

Неравномерные осадки выпирания Sвыпи.Этот вид осадок связан с пластическим видом деформаций (местных сдвигов) грунта оснований. По подошве жестких фундаментов рективное давление распределяется не равномерно. Даже при не большой нагрузке под краями жестких фундаментов возникает давление, приводящее к развитию зон сдвигов. По мере загрузки фундамента указанные зоны увеличиваются, грунт, окружающий их, уплотняется и оказывает все большее сопротивление, которое может достигать значение пассивного отпора.

Осадки выпирания рекомендуется определять на основе решения смешенной задачи теории упругости и пластичности (например, методом конечных элементов). Вследствие отсутствия простых решений, доведенных до инженерных расчетов, давление по подошве обычно ограничивают величинойR, при которой осадки выпирания незначительны, а зоны пластических деформаций развиваются на глубину, не превышающую 0,25 ширины подошвы фундамента b (рис1.6.)

Неравномерные осадки расструктуривания Sрасстр.При отрывке котлована грунты основания обнажаются и подвергаются воздействию различных факторов, в результате чего может произойти нарушение их природной структуры – расструктуривание.В связи с этим происходит изменение их физико-механических свойств. Чаще всего происходит увеличение сжимаемости и уменьшение сопротивлению сдвигу.

Поскольку нарушение структуры под соседними фундаментами происходит в различной степени, осадки расструктуривания будут неравномерными. Их величина зависит от способа производства котлованных работ, водоотлива, продолжительность периода с начала отрывки котлована до обратной засыпки пазух фундаментов.

Нарушение структуры грунтов основания возможно по следующим четырем причинам:

• От метеорологических воздействий. Метеорологические воздействия проявляются в расструктуривании грунтов в результате их промерзании и их оттаивания — (рис. 1.7. а), размягчение и набухание (рис. 1.7. б), высыхание и усадки (рис. 1.7. в).

• При промерзании и оттаивании пылевато-глинистых грунтов мелкопесчаных грунтов возможно существенное изменение их в объеме. Сильно увлажненные грунты при промерзании испытывают пучение, увеличиваясь в объеме до 40%, а при оттаивании при нагрузке получают просадку. При пучении в грунтах может развивается напряжение, превышающие давление по подошве фундаментов. В связи с этим промерзание пучинистого грунта в основании сооружения опасно не только при устройстве фундаментов, но и в период возведение надземных конструкций. Даже если подошва фундамента расположена ниже точки промерзания, то возможно поднятие фундамента касательными силами пучения, развивающимся по его боковым поверхностям, а также смещение его с креном в сторону в случае промерзания его в горизонтальном направлении.
• Воздействия грунтовых вод и газа. Воздействие подземных вод приводит расструктурированию грунтов в результате влияния гидростатического давления (рис. 1.9. а, б), гидродинамического давления (рис. 1.9. в), механической и химической суффозии (рис. 1.9. г).

Если гидростатическое давление в водонепроницаемом грунте больше напряжения от веса ниже дна котлована, то возможна деформация и разрушение данного слоя. Для снятия гидростатического давления искусственно понижают уровень грунтовых вод в водоносном слое. При поступлении воды в котлован через фильтрующий слой снизу-вверх частицы грунта испытывают гидродинамическое давление фильтрующего потока воды, которое существенно уменьшает давление скелета грунта, способствуя его набуханию. Для устранения этого явления устраивают искусственное понижения грунтовых вод, либо заливают вокруг котлована шпунт с погружением его в подстилающий слой водонепроницаемого грунта.

Если вода проступает по прослойкам, то она может выносить глинисто-пылеватые частицы, такое явление называется механической суффозией.

• Динамические воздействия механизмов. Могут приводить к существенному расструтурированию насыщенных водой пылевато-глинистых грунтов и пылеватых песков, залегающие ниже дна котлована и на окружающей территории. В целях сохранения естественной структуры указанных грунтов их разрабатывают легкими механизмами, перемещающимся вблизи бровки котлована. Кроме того, на дне котлована оставляют защитный слой грунта, который удаляют вручную или легкими машинами.
• В результате грубых ошибок в процессе производственных работ. Приводит к расструтурированию грунтов и большим не равномерным осадкам. К наиболее часто встречающимся производственным ошибкам относятся: перебор грунта, не качественная его обратная укладка; отрывка глубоких котлованов около ранее возводимых фундаментов, имеющую существенно меньшую глубину заложения; заблаговременная отрывка котлованов; затопление котлована производственными и хозяйственными водами, откачка воды из котлована без устройства специальных приямок.

Все нарушения естественной структуры грунтов основания приводят к развитию неравномерных осадок расструктуривания, величины которых за ранее установить невозможно. Следовательно, во время производственных работ требуется максимально сохранять естественную структуру грунтов основания.