Расчет фундаментов мелкого заложения
Обновлено: 16.05.2024
Исполнительная
Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор типа оснований (естественное или искусственное), а также конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, плитные, столбчатые; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др.) с применением в случае необходимости строительных или конструктивных мероприятий для уменьшения влияния деформаций оснований на эксплуатационную пригодность сооружений.
Основания рассчитывают по двум группам предельных состояний:
- по первой группе — по несущей способности;
- по второй группе — по деформациям (по осадкам, прогибам, подъемам и пр.).
В расчетах оснований следует учитывать совместное действие силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (например, влияние на физико-механические свойства грунтов атмосферных или подземных вод, тепловых источников различного вида, климатических воздействий и т.п.). Необходимо иметь в виду, что к изменению влажности особенно чувствительны просадочные, набухающие и засоленные грунты, к изменению температурного режима — набухающие и пучинистые грунты.
Расчет оснований по деформациям должен выполняться всегда, расчет по несущей способности выполняется в следующих случаях:
- на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т.п.), в том числе сейсмические;
- фундамент или сооружение расположены на откосе или вблизи откоса;
- основание сложено медленно уплотняющимися водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами (заторфованными, торфами и сапропелями), а также илами при степени их влажности Sr ≥ 0,85 и коэффициенте консолидации сv ≤ 107 см2/год;г) основание сложено скальными грунтами.
Если проектом предусматривается возведение сооружения непосредственно после устройства фундаментов до обратной засыпки грунтом пазух котлованов, необходимо проверить несущую способность основания с учетом нагрузок, действующих в процессе строительства.
Расчет по первому предельному состоянию производится для обеспечения несущей способности (прочности и устойчивости) и ограничения развития чрезмерных пластических деформаций грунта основания с учетом возможных неблагоприятных воздействий и условий их работы в период строительства и эксплуатации сооружений; по второму предельному состоянию — для ограничения абсолютных или относительных перемещений (в том числе колебаний) конструкций и оснований такими пределами, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация сооружения.
Для расчета деформаций основания чаще всего используются расчетные схемы основания в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя.
При использовании схемы полупространства для расчета осадок глубина сжимаемой толщи основания Hс ограничивается значениями, зависящими от соотношения дополнительных вертикальных нормальных напряжений от внешней нагрузки σzp и от собственного веса грунта σzg.
Расчетная схема основания в виде линейно-деформируемого слоя применяется в следующих случаях [4]:
– в пределах сжимаемой толщи основания Hc, определенной как для линейно-деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1 ≥ 100 МПа и толщиной h1 удовлетворяющей условию:
где Е2 — модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации; E1– ширина (диаметр) фундамента b ≥ 10 м и модуль деформации грунтов основания Е ≥ 10 МПа.
Толщина линейно-деформируемого слоя Н в первом случае принимается до кровли малосжимаемого грунта, во втором случае вычисляется по формуле.
Схему в виде линейно-деформируемого слоя допускается также применять для фундаментов шириной b ≥ 10 м при наличии в пределах сжимаемой толщи слоев грунта с модулем деформации E < 10 МПа, если их суммарная толщина не превышает 0,2 Н.
При расчете деформаций основания с использованием расчетных схем основания в виде линейно-деформируемой среды давление под подошвой фундамента ограничивается в соответствии с указаниями.
Для расчета конструкций на сжимаемом основании могут применяться схемы, характеризуемые коэффициентом постели или коэффициентом жесткости. Под коэффициентом жесткости понимается отношение нагрузки, действующей на основание, к его расчетной осадке. Такая характеристика сжимаемости основания целесообразна при необходимости учета неоднородности грунтов основания (в том числе вызванной неравномерным замачиванием просадочных грунтов), при расчете конструкций на подрабатываемых территориях и т.д.
В расчетах конструкций пространственно жестких сооружений во взаимодействии со сжимаемым основанием, особенно при значительных ожидаемых неравномерных деформациях основания, рекомендуется учитывать нелинейность деформирования грунтов. При этом допускается использовать упрощенные методы, в которых, в частности, фундаменты сооружения рассматриваются как отдельные нелинейно-деформирующиеся опоры. Зависимость осадки основания таких опор от давления p рекомендуется принимать в виде:
где sR — расчетная осадка основания при давлении p1, равном расчетному сопротивлению грунта основания; pu — давление на основание, соответствующее исчерпанию его несущей способности.
Расчет сооружений во взаимодействии с нелинейно-деформирующимся основанием выполняется с применением ЭВМ.
Развитие деформаций грунтов основания во времени (консолидационное уплотнение, ползучесть), а также анизотропию прочностных и деформационных характеристик грунтов следует учитывать, как правило, при расчете оснований, сложенных водонасыщенными пылевато-глинистыми и биогенными грунтами, а также илами. Для одного и того же сооружения расчетная схема может меняться в зависимости от вида предельного состояния, цели расчета, вида учитываемых воздействий, разработанности методов расчета и т.д.
Н.С. СОЛОМЕНЦЕВА
Настоящие методические указания содержат рекомендации и числовые примеры по проектированию фундаментов промежуточных опор мелкого заложения.
Указания разработаны на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ и предназначены для студентов специальностей 291000 "Мосты и транспортные тоннели" и 291000 "Строительство автомобильных дорог и аэродромов", занимающихся курсовым проектированием по дисциплине "Основания и фундаменты".
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФУНДАМЕНТАХ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Промежуточные опоры на фундаментах мелкого заложения широко используются в мостостроении. Их закладывают на грунтах, обладающих достаточной несущей способностью и залегающих неглубоко от поверхности земли.
Не следует опирать фундаменты на просадочные и заторфованные грунты, а также на глины и суглинки с показателем текучести J > 0,6.
Характерной особенностью фундаментов мелкого заложения является передача нагрузок от надфундаментной части опоры только через подошву фундамента. Боковая поверхность в работе не участвует из-за невозможности, как правило, обеспечить засыпку пазух между боковыми поверхностями фундамента и котлована грунтом с плотностью равной природной.
Фундаменты мелкого заложения сооружают в открытых котлованах глубиной не более 6 м.
По конструкции фундаменты мелкого заложения могут быть жесткими, в нижней части которых не возникает растягивающих напряжений, или гибкими, в плитной части которых возникают деформации изгиба, что требует применения арматуры.
Глубину заложения фундаментов назначают в зависимости от инженерно-геологических условий и выбора несущего слоя грунта. При этом учитывают следующие требования о минимальных глубинах заложения подошвы фундамента:
при грунтах, подверженных морозному пучению (т.е. во всех случаях, кроме скальных, гравелистых и крупнообломочных грунтов) на 0,25 м ниже глубины промерзания;
при грунтах, подверженных размыву на 2,5 м ниже поверхности грунта после размыва;
при скальных грунтах на 0,25 м;
при любых грунтах, кроме скальных, при отсутствии размыва - 1,0 м, считая от дневной поверхности или дна водотока.
К недостаткам фундаментов мелкого заложения относят большой объем земляных работ, значительную потребность в ручном труде и серьезное нарушение окружающей среды.
2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОПОРЫ
К расчету фундамента приступают после назначения размеров опоры и определения усилий от всех нагрузок (вес пролетного строения, вес опоры, вес грунта на обрезах фундамента, временные вертикальные и горизонтальные нагрузки).
Прежде всего определяют размеры в уровне верха подферменной площадки из условия размещения опорных частей, передающих давление от пролетного строения на опору.
При назначении размера тела опоры непосредственно под подферменной площадкой (или ригелем) учитывают, что минимальный карнизный свес подферменника над телом опоры составляет 10 см.
Грани опоры до обреза фундамента для массивных опор могут быть наклонными (уклон 1:30 - 1:50) или, как в современных опорах, вертикальными.
Возможен также вариант облегченных опор с консольным ригелем (консоли по 2,0-2,5 м). При большой высоте опор верхнюю часть их до уровня высоких вод можно выполнять в виде столбчатой конструкции. Ригель в таких опорах чаще делают в плане прямоугольного очертания.
Обрезы фундаментов мелкого заложения русловых опор обычно располагают ниже уровня межени на 0,5 м, а пойменных опор - на уровне поверхности грунта после размыва.
Об условиях назначения отметки подошвы фундамента изложено в п. 1.
Далее излагаются последовательность и необходимые расчеты предварительного назначения размеров промежуточной опоры.
Из рис. 1 видно, что для определения размеров подферменной площадки А и В необходимо рассчитать только размер плиты опорных частей В, все остальные размеры задают из конструктивных соображений:
для отвода воды попадающей на подферменную площадку, верхней ее поверхности придают уклоны, называемые сливами; сливы делают с уклоном не положе 1:10;
высоту подферменников (площадок, на которых располагаются нижние плиты опорных частей или просто опорные плиты в случае использования резиновых опорных частей) принимают равной высоте слива плюс 3-5 см;
Рис 1. Схема подферменной площадки
расстояние с от грани плиты опорной части до края подферменника принимают равным 15-20 см;
расстояние t от края подферменника до грани опоры назначают в зависимости от длины пролетного строения:
при пролетах до 30 м - не менее 15 см,
при пролетах от 30 до 100 м - не менее 25 см;
при пролетах более 100 м - не менее 35 см;
зазор между торцами пролетных строений можно принять равным 5-10 см;
расстояние от оси опирания балки пролетного строения до ее торца берут из проекта пролетного строения;
расстояние от края подферменной плиты до грани опоры принимают равным 10-15 см.
Тогда ширина подферменной плиты по фасаду моста равна
Размер подферменной плиты поперек моста для случая массивной опоры с закругленной подферменной плитой равен
В = В кр + b + 2 с + А .
Для случая облегченных опор размер ригеля прямоугольного очертания поперек моста равен
В = В кр + b + 2 с + 2×0,5,
где В кр - расстояние между осями крайних балок,
0,5 м - минимальное расстояние от края подферменника до края ригеля поперек моста.
Размер плиты опорной части b × b вычисляют в зависимости от максимального значения давления балки R max и расчетного сопротивления бетона R b подферменника по формуле
где R покр.пр.ч - реакция балки от веса покрытия проезжей части, от расчетных нагрузок;
R вес балки - реакция от собственного веса балки, от расчетных нагрузок;
R вp max - наибольшая реакция в балке от временных нагрузок ( R вр от А-11 плюс R вр от толпы или от НК-80).
Опорную реакцию в балке определяют путем загружения линии влияния опорного давления расчетными постоянными и временными нагрузками (рис. 2).
Рис. 2. Схема загружают линии влияния опорной реакции постоянной и временной нагрузками
Коэффициенты поперечной установки приближенно можно определить по методу внецентренного сжатия (рис. 3).
Рис. 3. Схема загружения временной нагрузкой линии влияния давления на крайнюю балку для определения коэффициентов поперечной установки по методу внецентренного сжатия
Динамический коэффициент для железобетонных балочных пролетных строений для нагрузки А- II равен
Динамический коэффициент для нагрузки НК-80 равен
Р - вес оси тележки нагрузки А-11 (11 тс);
КПУ тележ , КПУ полос , КПУ НК-80 , КПУ толпы - коэффициенты поперечной установки для нагрузок соответственно А-11 - тележки и полосовой, НК-80 и толпы;
gi - погонная нагрузка на балку от веса слоев покрытия проезжей части;
g с.в. - погонная нагрузка от собственного веса балки;
g экв - эквивалентная нагрузка для НК-80.
Суммируя реакции от постоянных и наибольшей временной нагрузок, получаем максимальное значение опорной реакции.
На конкретном примере рассмотрим эскизное проектирование промежуточной опоры.
Запроектировать эскизный чертеж промежуточной опоры под пролетные строения длиною 24 м из шести цельноперевозимых железобетонных предварительно напряженных балок. Габарит моста Г-10 включает две полосы движения по 3,5 м, полосы безопасности по 1,5 м. Тротуары приняты по 1 м. Расчетный пролет балок - 23,4 м. Расчетные нагрузки - A-11 и НК-80. Расстояние между осями балок - 2,1 м. Полная ширина пролетного строения
В = 10,00 + 2×0,4 + 2×1,0 + 2×0,2 = 13,2 м.
Компоновочная схема приведена на рис. 3.
Рассчитаем r max для балки длиною 24 м.
Вес покрытия проезжей части на 1 м 2 :
нормативная нагрузка - 0,07×2,3×10=1,61 кПа (0,161 тс/м 2 ),
расчетная нагрузка - 1,61×1,5=2,42 кПа (0,242 тс/ м 2 );
нормативная нагрузка - 0,04×2,5×10 = 1,0 кПа (0,1 тс/м 2 ),
расчетная нагрузка - 1,0×1,3 = 1,3 кПа (0,13 тс/м 2 );
нормативная нагрузка - 0,01×1,5×10=0,15 кПа (0,015 тс/м 2 ),
расчетная нагрузка - 0,15×1,5 = 0,20 кПа (0,020 тс/м 2 );
нормативная нагрузка - 0,03×2,1×10=0,63 кПа (0,063 тс/м 2 ),
расчетная нагрузка - 0,63×1,3=0,82 кПа (0,082 тс/м 2 ).
Суммируя веса отдельных слоев, получим g норм. = 3,39 кПа (0,339 тс/м 2 ) и g расч. = 4,74 кПа (0,474 т/м 2 ).
Нормативный вес балки длиною 24 м равен 38,0 тс.
Расчетное значение реакции от покрытия и собственного веса балки
Вычислим коэффициенты поперечной установки путем загружения временными нагрузками линии влияния давления для крайней балки, построенной по методу внецентренного сжатия.
Величины ординат линии влияния под осями крайних балок
где n - число балок в поперечном сечении пролетного строения.
Тогда y 1 = 0,523; у 2 = - 0,191.
Установка нагрузок показана на рис. 3.
Расстояние от полосы безопасности до оси крайнего колеса для нагрузки A-11 - 0,55 м, а для нагрузки НК-80 - 0,4 м.
Ординаты линии влияния под грузами определены из подобия треугольника.
Тогда получим следующие значения кпу:
кпу НК-80 = (0,376+0,193)/2 = 0,284;
кпу А-11 (тележки) = 0,313 + 0,114 = 0,427;
кпу A-11 (полосовая) = 0,313 + 0,60×0,114 = 0,381;
кпу толпы = (0,601+0,533) 1/2×1 = 0,576 (площадь л.в. под тротуаром).
Эквивалентная нагрузка для НК-80 для л.в. опорной реакции при l =24 м равна 6,17 тс/м (по табл. СНиП 2.05.03-84, с. 146).
Опорная реакция в балке от НК-80
Максимальное значение опорной реакции
R m ах = 328 + 229 = 557 кН (55,7 тс).
Размеры плиты опорной части b × b при R b = 135 кгс/см 2 (для бетона В-25)
Определим размеры подферменной площадки А и В для принятого варианта облегченной опоры с ригелем прямоугольного очертания:
А = 0,10 + (0,30 + 0,10 + 0,15 + 0,10)×2 = 1,7 м.
В = 10,5 + 0,20 + 0,15×2 + 0,5×2 = 12,2 м.
В результате получим следующие эскизные размеры опоры (рис. 4).
Рис. 4 Схема промежуточной опоры
При карнизных свесах 0,1 м ширина тела опоры по фасада - 1,5 м. Принимаем свесы ростверка по фасаду по 0,75 м, поперек моста по 0,5 м, тогда ширина ступеней ростверка по фасаду - 3,0 м и 4,5 м, поперек моста - 9,2 м и 10,2 м. При глубине размыва 1,0 м подошва ростверка располагается на расстоянии 2,5 м от уровня размыва, полная высота ростверка 4 м. Задана отметка уровня меженных вод 0,0 и отметка верха опоры 7,6; получим полную высоту опоры 12,1 м.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРУ
3.1. Вес опоры
Взвешивающее действие воды на части сооружения, расположенные ниже уровня поверхностных или подземных вод, необходимо учитывать при расчетах в том случае, если фундаменты заложены в песках, супесях и илах. При заложении фундаментов в суглинках и глинах взвешивающее действие воды требуется учитывать, когда оно создает более неблагоприятные расчетные условия. Уровень воды принимается наименее благоприятным - наинизший или наивысший.
3.2. Вес грунта
Объемный вес грунта, расположенного ниже уровня воды, с учетом гидростатического давления определяют по формуле
3.3. Вес покрытия проезжей части и пролетного строения
Вертикальные опорные давления от этих нагрузок прикладываются по оси опорных частей. Вес балок берется из проекта пролетных строений или вычисляется по геометрическим объемам.
Вес покрытия проезжей части можно вычислять по следующим значениям:
g норм покр. = 3,39 кПа (0,339 тс/м 2 );
g расч покр. = 4,74 кПа (0,474 тс/м 2 );
(асфальтобетон - 7 см; защитный слой - 4 см, гидроизоляция - 1 см, выравнивающий слой - 3 см).
3.4. Вертикальные усилия от временных нагрузок
Нормативные опорные вертикальные давления от нагрузки АК, толпы и НК-80 (или НГ-60) вычисляют путем загружения линий влияния опорных реакций (см. рис. 2), рассматривая при этом для разрезных пролетных строений загружения левого пролета, правого пролета и обоих пролетов вместе.
n - число полос движения для нагрузки АК;
Р - вес оси тележки;
g экв - эквивалентная нагрузка для НК-80 (или НК-80, или НГ-60), определяемая по таблицам СНиПа;
g т - интенсивность нормативной нагрузки от толпы.
Для расчетов выбирают максимальное значение опорной реакции от временной нагрузки
(либо АК+толпа, либо НК-80 (НГ-60).
Для мостов на дорогах I- III категорий, а также для больших мостов (кроме деревянных) на дорогах IV - V категорий принимают класс нагрузки К равным 11 и колесную нагрузку НК-80.
Для малых и средних мостов на дорогах IV и V категорий и на внутрихозяйственных дорогах принимают К равным 8 и гусеничную нагрузку НГ-60.
3.5. Тормозная сила
Нормативную горизонтальную продольную нагрузку от торможения принимают равной 50% равномерно распределенной части нагрузки АК, но не менее 0,8 К тс и не более 2,5 К тс.
При многополосном движении сила торможения принимается со всех полос одного направления. Причем нагрузку с одной полосы принимают с коэффициентом S =1,0, а с остальных полос с коэффициентом S = 0,6.
Тормозная сила передается опорам через неподвижные опорные части и прикладывается по центру опорных частей.
Тормозная сила действует горизонтально вдоль продольной оси моста в обоих направлениях. Продольное усилие от сил трения в установленных на той же опоре подвижных опорных частях не учитывается.
3.6. Силы трения
Нормативные сопротивления от сил трения в подвижных опорных частях действуют горизонтально вдоль продольной оси моста при температурных деформациях пролетного строения.
Силы трения приложены в опорных частях. Величина их равна
При подвижных опорных частях с прокладками из фторопласта совместно с полированными листами из нержавеющей стали и для других видов опорных частей расчеты ведут по п. 2.28 СНиП 2.05.03-84.
Силы трения учитывают только при расчете подферменной площадки; расчет остальных сечений опоры на силы трения производится только в случае опирания опоры на скальные основания.
3.7. Ветровая нагрузка
Нормативная интенсивность горизонтальной поперечной ветровой нагрузки для типовых конструкций составляет 180 кгс/м 2 .
Нормативную горизонтальную поперечную ветровую нагрузку, действующую на элементы моста, следует принимать равной произведению соответствующей нормативной интенсивности ветровой нагрузки на рабочую ветровую поверхность элементов моста.
Рабочая ветровая поверхность стальных ферм с треугольной или раскосной решеткой принимается в размере 20% площади, ограниченной контурами фермы.
Коэффициент сплошности составляет для перил 0,3-0,8, а для элементов проезжей части - 1,0.
Нормативную горизонтальную продольную ветровую нагрузку для сквозных пролетных строений следует принимать в размере 60%, для пролетных строений со сплошными балками - 20% соответствующей полной нормативной поперечной ветровой нагрузки.
Для мостов с балочными пролетными строениями горизонтальное усилие от продольной ветровой нагрузки передается на опоры в уровне центра опорных частей.
3.8. Навал судов
Нормативную нагрузку от навала судов на опоры мостов принимают в виде сосредоточенной силы в зависимости от класса внутреннего водного пути по табл. 1.
Читайте также: