Минимальная глубина заложения фундамента при сейсмике. Конструкция фундамента в сейсмическом районе, грозный. Пример расчета несущей способности основания столбчатого фундамента

Сейсмическими называются районы, подверженные землетрясением.

Землетрясения - это колебания поверхности Земли. Они могут быть такими слабыми, что лишь детская колыбель слегка бы качнулась. Но бывают и настолько катастрофическими, что разрушают горы и стирают целые города с лица Земли. На самом деле колебания земли могут вызываться самыми различными причинами - от проезда тяжелой транспортной техники до извержения вулкана. Крупные землетрясения происходят при разрыве и перемещении горных пород в местах столкновения гигантских тектонических плит, из которых состоит земная кора.

К строительству зданий и сооружений в сейсмических районах предъявляются особые требования, изложенные в Нормах и правилах строительства в сейсмических районах.

Сейсмичность пункта строительства уточняется по картам сейсмического микрорайонирования. Сейсмическое микрорайонирование территорий строительства и населенных мест производится по материалам, характеризующим физико-механические свойства грунтов, геологические и гидрогеологические условия и рельеф местности.

Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении грунтами являются невыветренные скальные и полускальные породы, а также плотные и маловлажные крупнообломочные грунты. Неблагоприятными грунтами являются насыщенные водой гравийные, песчаные и глинистые (макропористые), а также пластичные, текучие глинистые (не макропористые) грунты.

К неблагоприятным в сейсмическом отношении условиям строительной площадки относятся: сильно расчлененный рельеф местности (обрывистые берега, овраги, ущелья и др.); выветренность и сильная нарушенность пород физико-геологическими процессами; близкое расположение линий тектонических разрывов.

При необходимости строительства зданий и сооружений в районах оползней, осыпей, обвалов, плывунов, горных выработок и т. п. должны быть осуществлены мероприятия по обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений согласно, особым, проектам по инженерной подготовке площадки. Во всех случаях не следует допускать расположения строительных площадок в местах, затопляемых, заболоченных, с высоким уровнем грунтовых вод, в зонах насыпных грунтов, оползней, карстов, осыпей, обвалов и селевых потоков.

В СНиПе основные типы грунтов с точки зрения их сейсмоустойчивости делят на три категории. К первой категории относят скальные и полускальные, а также особо плотные крупноблочные породы при глубине уровня грунтовых вод не менее 15 м; ко второй категории - глины и суглинки, пески и супеси при толщине слоя менее 8 м, а также крупнообломочные грунты при толщине слоя 6-10 м; к третьей категории – глины и суглинки, пески и супеси при толщине слоя менее 4 м, а также крупнообломочные грунты при толщине слоя менее 3м.

При строительстве на грунтах первой категории расчетную-сейсмичность района строительства, определенную по картам, можно снизить на 1 балл. Грунты второй категории соответствуют нормативной балльности сейсмики, определяемой по картам. При грунтах третьей категории 6 и 7-балльную сейсмичность нужно повысить на 1 балл, а при 9-балльной нормативной сейсмичности рекомендуется подобрать другую строительную площадку с меньшей сейсмичностью.

При проектировании зданий и сооружений, предназначенных для строительства в сейсмических районах, следует применять конструктивные решения, позволяющие до минимума снижать сейсмические нагрузки. Поэтому рекомендуют применять симметричные конструктивные схемы, легкие ограждающие конструкции и такие несущие относительно обеих осей здания в плане конструкции, которые обеспечивают развитие пластических деформаций в элементах и стыках.

При проектировании здании и сооружений, возводимых в сейсмических районах, кроме расчета конструкций на обычные нагрузки (собственный вес, временные и другие нагрузки) проводятся расчеты на воздействие сейсмических сил, которые условно принимают действующими горизонтально. Сила землетрясения устанавливается по, 12-балльной шкале.

При проектировании особо ответственных здании и сооружений значения определенную обычным способом 6 и 7-балльную сейсмостойкость переводят в 8 и 9-балльную, а при 9-балльной нормативной сейсмичности расчетные сейсмические нагрузки умножают на дополнительный коэффициент 1,5.

Здания должны иметь простую форму плана (квадрат, прямоугольник, круг и т. п.). Здание сложной формы должно быть разделено на отсеки простой формы (рис.4.1). В каждом отсеке необходимо соблюдать жесткость и симметричность расположения несущих вертикальных конструкций. Предельные размеры зданий (отсеков) с разными типами несущего остова приведены в табл.4.1

Таблица 4.1
Предельные размеры зданий

Антисейсмические швы

Антисейсмические швы (из парных стен или колонн) должны разделять здание на отсеки по всей его высоте. Ширину шва при высоте здания до 5 м принимают 30 мм. На каждые следующие 5 м высоты здания ширину антисейсмических швов увеличивают на 20 мм.

Рисунок 4.1 Схемы расположения несущих стен в зданиях, возводимых в сейсмических районах: а- неправильное расположение (входящие углы 1-4 подвергаются разрушению); б – правильное расположение стен (образующие замкнутые сейсмостойкие отсеки 5,6,7; 8 – антисейсмический шов); в- рекомендуемое симметричное расположение поперечных стен; г- нерекомендуемое несимметричное расположение поперечных стен; д- нерекомендуемое расположение стен зданий (сейсмические силы будут стремиться разрушить примыкающие стены).

Фундаменты здания

При строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов назначают не менее 1 м, причем грунты III категории требуют искусственного улучшения. Фундаменты зданий и их отдельных отсеков следует закладывать на одной глубине, а в зданиях повышенной этажности нужно предусматривать дополнительное заглубление фундаментов.

При прохождении сейсмических волн фундаменты зданий и сооружений могут испытывать подвижку относительно друг друга, поэтому рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или фундаменты из перекрестных лент (рис.4.2, в) в монолитном или сборном варианте. Для усиления сборных фундаментов обязательно устраиваются перевязка блоков в узлах и укладка дополнительных арматурных сеток. В каркасных зданиях допускается применение отдельных фундаментов, которые должны раскрепляться железобетонными вставками(рис.4.2, б).

Рисунок 4.2 Конструкции фундаментов в сейсмически oпасных paйонax а - из перекрестных лент; б - закрепление отдельно стоящих фундаментов железобетонными вставками; 1 - сварные сетки; 2 – связевые вставки.

Применение свайных фундаментов требует жесткой заделки свай в непрерывные ростверки, располагающиеся в одном уровне, причем следует опирать нижние концы свай на более плотные слои грунтов оснований. Следует отметить, что устойчивость оснований и фундаментов в сейсмически опасных районax гарантирует нормальную эксплуатацию здания только в том случае, если и вся надземная часть здания возведена с учетов сейсмических воздействий.

При свайных фундаментах следует применять забивные сваи, а не набивные. Набивные сваи без оболочек не применяют. Ростверк свайного фундамента должен быть заглублен в грунт. Для многоэтажных каркасных зданий применяют фундаменты виде перекрестных лент или сплошной плиты.

Особенности конструирования каркасных зданий

В каркасных зданиях горизонтальную сейсмическую нагрузку воспринимают каркас с жесткими узлами рам, каркас с заполнением, каркас с вертикальными связями, диафрагмами или стволами жесткости. При расчетной сейсмичности 7... 8 баллов допускают применять наружные каменные стены высотой не более 7 м.

Диафрагмы, связи и ядра жесткости должны быть непрерывными по всей высоте здания и расположены в обоих направлениях равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания. При выборе конструктивных схем следует предусмотреть возникновение первых пластических зон в горизонтальных элементах каркаса (ригелях, перемычках и обвязочных балках).

По способу изготовления и возведения железобетонные каркасы зданий могут быть сборными, сборно-монолитными и монолитными. Жесткие узлы железобетонных рам должны быть усилены применением сварных сеток и замкнутых хомутов (рис.4.3)

Участки ригелей колонн, примыкающие к жестким узлам рам на расстоянии, равном не менее высоты их сечения, усиливают дополнительной замкнутой поперечной арматурой (хомутами) с шагом не более 100мм в рамных системах и не более 200мм в связевых системах. При расчетной сейсмичности 8 и 9 балла в шаг хомутов в колоннах рам не должен превышать b/2 где, b – наименьший размер сечения колонны. Диаметр хомутов следует принимать не менее 8мм.

В сборно-монолитном каркасе колонны и плиты перекрытий объединяют в единую конструкцию путем натяжения на бетон канатной арматуры. Ее пропускают через отверстия колонн в зазорах между крупноразмерными панелями перекрытия.

Сборные колонны многоэтажных зданий по возможности следует укрупнять на несколько этажей. Стыки колонн необходимо располагать в зонах с минимальным изгибающими моментами.

Рисунок 4.3 Сейсмоконструирование узлов. а, б - армирование узла сборной и монолитной железобетонной рамы: в - конструктивное решение стыковых соединений панелей внутренних стен крупнопанельных зданий; г- анкеровка панелей перекрытий 1 – продольная арматура; 2 - то же, поперечная; 3 - усиленный арматурный выпуск; 4- опорный столик из уголков с отверстием; 5- дополнительная продольная арматура; 6 - поперечная арматура

Особенности конструирования крупнопанельных и объемно-блочных зданий

Для зданий сейсмических районов рекомендуют принимать конструктивную схему с несущими поперечными и продольными стенами. Панели стен и перекрытий соединяют путем сварки выпусков арматуры, анкерных стержней и закладных деталей. Таким образом все элементы зданий объединяют в единую пространственную конструкцию, способную воспринимать сейсмические нагрузки. Несущую способность зданий повышают путем применения вертикальной напрягаемой арматуры.

Фундаменты применяют ленточные из монолитного железобетона. При больших нагрузках и слабых грунтах может оказаться рациональным фундамент в виде сплошной монолитной плиты.

Стеновые панели армируют пространственными каркасами. Пример конструктивного решения внутренней стеновой панели и ее стыков показан на рис.108в. Стены по всей длине и ширине здания должны быть, как правило, непрерывными.

Благодаря большой пространственной жесткости и способности перераспределять усилия, объемно-блочные здания вполне подходят для строительства в сейсмических районах. При строительстве блоки размерами на всю комнату соединяют по высоте только по углам. Однако по всем граням блоков устанавливают вертикальную арматуру. Для повышения жесткости горизонтальных стыков блоков целесообразно устраивать шпоночные связи.

Для снижения сейсмических нагрузок устраивают в зданиях так называемый первый гибкий этаж, т. е. первый этаж многоэтажных зданий выполняют каркасным. Последнее время такое решение подвергается к жесткой критике.

Особенности конструирования каменных зданий

В зданиях с несущими стенами из кирпича или каменной кладки, кроме наружных продольных стен, должно быть не менее одной внутренней продольной стены. При этом соблюдают требования по минимальной ширине простенков и максимальной ширине проемов.

Сейсмостойкость каменных стен зданий повышают арматурными сетками, вертикальными железобетонными элементами (сердечниками), предварительным напряжением кладки. В уровне перекрытий и покрытий зданий устраивают антисейсмические железобетонные пояса по всем продольным и поперечным стенам. Связь поясов с кладкой может быть усилена выпусками арматуры и железобетонными анкерами.

Антисейсмические пояса устраивают на всю ширину стены. Высота поясов должна быть не менее 150 мм. Их возводят из бетона класса не ниже B12, 5 и армируют четырьмя продольными стержнями диаметром 10 и 12 мм при расчетной сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов. Кроме того, армируют горизонтальной арматурой все угловые участки наружных стен и сопряжения внутренних стен к наружным. Аналогичное армирование применяют для стен из монолитного бетона.

Проемы большой ширины и узкие простенки окаймляют
железобетонной рамкой (рис.4.4). Перемычки устраивают, как
правило, на всю толщину стены и заделывают в кладку на
глубину не менее 350 мм (при ширине проема до 1,5м – не менее 250 мм).

Рисунок 4.4 Усиление граней оконных (а) и дверных (б) проемов: 1 - железобетонный сердечник; 2 - железобетонная перемычка, объединенная с обвязкой; 3 -железобетонная обвязка

Первые этажи зданий, включающие магазины и другие помещения свободной планировки (с колоннами), выполняют в железобетоне.

Здания с пролетами 18 м и более следует перекрывать металлическими фермами в сочетании с алюминиевыми панелями или профилированным стальным настилом, утепленным пенополистиролом или другими эффективными легкими материалами. Предварительно напряженные железобетонные конструкции, в которых арматура не имеет сцепления с бетоном, применять не разрешается.

Лестницы рекомендуется применять крупносборные с заделкой в кладку не менее чем на 250 мм, с анкерованием или с надежными сварными креплениями. Консольная заделка ступеней не допускается. Дверные и оконные проемы при сейсмичности 8 и 9 баллов должен иметь железобетонное обрамление.

Перегородки следует применять крупнопанельные или каркасной конструкции, причем они должны быть надежно связаны с перекрытиями и стенами или колоннами. Балконы должны выполняться в виде консольных выпусков панелей перекрытий (или надежно с ними соединяться). Вынос балконов допускается при сейсмичности 7 баллов 1,5 м, а при сейсмичности 8-9 баллов 1,25 м. Отделку помещений следует производить с использованием легких листовых материалов (сухой штукатурки, фанеры, древесноволокнистых плит и т. п.).

Покрытия одноэтажных зданий для строительства в сейсмических районах следует принимать сборно-монолитной конструкции. Многопролетные стропильные покрытия, как и многоволновые оболочки для сейсмических районов, целесообразно проектировать неразрезными с целью повышениях их жесткости и устойчивости.

Строительство жилых домов из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков допускают лишь в сельских населенных пунктах при условии усиления стен деревянным каркасом с диагональными связями.

Проектирование фундаментов при сейсмических воздействиях следует производить в соответствии с требованиями СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*».

Сейсмические воздействия на фундамент обусловлены зем­летрясениями, происходящими в результате тектонических раз­ломов в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях рас­пространяются упругие колебания, характеризуемые сейсмичес­кими волнами (продольными, поперечными и поверхностными). Сейсмические воздействия вызывают колебания зданий и соору­жений, которые приводят к появлению в элементах надземных конструкций сил инерции. На величину последних решающее влияние оказывает интенсивность землетрясения, измеряемая балльностью.

Сейсмические воздействия, как и любые динамического ха­рактера нагрузки на основания, приводят к изменению свойств грунтов: увеличивается сжимаемость, особенно несвязных грун­тов; уменьшается их предельное сопротивление сдвигу, вследствие вызванного вибрацией уменьшения трения между частицами. Импульсные воздействия средней величины могут вызвать допол­нительные осадки и просадки оснований, а импульсы значитель­ной величины – разрушение структуры грунтов, уменьшение их прочности, потерю устойчивости оснований. При определенных условиях может происходить разжижение водонасыщенных пес­чаных оснований, приводящее к полному исчерпыванию их несу­щей способности. Эти изменения строительных свойств грунтов и специфический характер взаимодействия сооружения с основа­нием определяют особенности проектирования фундаментов в условиях сейсмических воздействий.

В России принята 12-балльная шкала оценки силы землетря­сения. Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.

Во многих районах выполнено микросейсмирование (повышение или понижение сейсмичности на 1 балл, которое санкционируется Госстроем).

Сейсмичность площадки в зависимости от категории грунта приведена в табл. 5.1. Сейсмические воздействия при проектировании учитываются при интенсивности сейсмических колебаний 7, 8 и 9 баллов. При интенсивности более 9 баллов строительство возможно только по разрешению вышестоящих органов в соответствии с утвержденными требованиями.

По сейсмическим свойствам грунты разделяются на три категории:

Таблица 5.1

При неоднородном составе грунты площадки строительства относятся к более неблагоприятной категории грунта по сейсмическим свойствам, если в пределах 10-метровой толщи грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой категории, имеет суммарную толщину более 5 м.

Расчет фундаментных конструкций и их оснований выполняют на основное и особое сочетание нагрузок, причем в последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка. Расчетную сейсми­ческую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.

При динамическом расчете учитывают массу отдельных элемен­тов здания, сейсмичность района, формы собственных колебаний, особенности колебаний сооружения, тип грунтовых условий, конст­руктивное решение сооружения и характер допускаемых поврежде­ний и дефектов. После получения сейсмических нагрузок на основа­нии принципа Даламбера проводят статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и ста­тической нагрузки.

Дополнительные горизонтальные нормальные и касательные на­пряжения, возникающие в основании при прохождении сейсмичес­ких волн, определяют по формулам:

; , (5.10)

где k с – коэффициент сейсмичности (при 7 баллах k с = 0,025; при 8 баллах – 0,05 и при 9 баллах – 0,1); γ – удельный вес грунта; С p и С s – соответственно скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн; Т 0 = 0,5 – период скорости сейс­мических колебаний, с.

Сейсмические инерционные нагрузки, действующие на фунда­мент во время землетрясения, определяют по формуле

где G k – вес элемента сооружения, отнесенный к точке к; γ n – ко­эффициент, зависящий от класса сооружения (принимается в преде­лах 1–1,5); – коэффициент динамичности; – коэффициент, учитывающий форму колебаний.

При проектировании и строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов в грунтах I и II категорий назнача­ют как для несейсмических районов, но не менее 1 м; грунты III категории требуют предварительного искусственного улучшения.

Фундаменты зданий и их отдельных отсеков рекомендуется за­кладывать на одном уровне во избежание изменения частоты со­бственных колебаний. В зданиях повышенной этажности следует увеличивать глубину заложения с помощью устройства дополни­тельных подземных этажей.

При прохождении сейсмических волн поверхность грунта может испытывать растяжение и сжатие в различных направлениях, что может вызвать подвижку фундаментов относительно друг друга, поэтому для исключения подвижки и устойчивости фундаментов рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или не­прерывные фундаменты из перекрестных лент (рис. 5.3, а ), устра­иваемых в сборном или монолитном варианте. Для усиления сбор­ных фундаментов по верху подушки укладывают арматурные сетки и устраивают перевязку блоков в углах и пересечениях, а при сейсмичности 9 баллов армируют все сопряжения стен подвалов. Фундаменты каркасных зданий допускается устанавливать на от­дельные фундаменты, которые соединяются друг с другом железо­бетонными вставками (рис. 5.3, б ).

Рис. 5.3. Схемы фундаментов в сейсмических районах

Для предотвращения подвижки здания по обрезу фундамента гид­роизоляцию стен необходимо выполнять в виде цементного слоя. Применение гидроизоляции на битумной основе не разрешается.

При использовании свайных фундаментов необходима жесткая заделка свай в непрерывный ростверк для восприятия горизон­тальных усилий, возникающих при землетрясениях, при этом следу­ет стремиться опирать нижние концы свай на плотные грунты. Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий рабо­ты, при расчете несущей способности основания по боковой поверх­ности и под острием сваи.

Самыми неблагоприятными основаниями являются водонасыщенные пески, способные разжижаться в условиях сейсмических воздействий и приводить к провальным осадкам зданий, поэтому их следует использовать в качестве оснований только после предвари­тельного уплотнения вибрированием, песчаными сваями или каким-либо другим способом.

Проектирование и устройство фундаментов с учетом сейсмичес­ких воздействий гарантируют сохранность сооружения при условии, если и надземная часть здания возведена с учетом данных воздейст­вий.

→ Фундаменты

Фундаменты при сейсмических воздействиях

Сейсмическими явлениями или землетрясениями называют колебательные движения земной коры в результате проявления внутренних сил земли. Землетрясения вызывают колебания зданий и сооружений и появление сил инерции. Колебания и силы инерции называют сейсмическими‘воздействиями.

Следствием сейсмических воздействий являются деформации и перемещения отдельных конструкций, а также частичное или полное разрушение зданий. Сейсмические воздействия учитываются при 7…9 баллах. При 10 баллах строительство разрешается в исключительных случаях со специальным обоснованием.

Балл сейсмичности для данного типа здания устанавливается по району строительства с учетом дополнительного микрорайонирования, выполняемого на основании специфики инженерно-геологических условий на строительной площадке.

Расчет фундаментных конструкций и их оснований выполняют на основное и особое сочетание нагрузок, причем в последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка. Расчетную сейсмическую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.

При динамическом расчете учитывают массу отдельных элементов здания, сейсмичность района, формы собственных колебаний, особенности колебаний сооружения, тип грунтовых условий, конструктивное решение сооружения и характер допускаемых повреждений и дефектов. После получения сейсмических нагрузок на основании принципа Даламбера проводят статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и статической нагрузки.

При проектировании и строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов в грунтах I и II категорий назначают как для несейсмических районов, но не менее 1 м; грунты III категории требуют предварительного искусственного улучшения.

Фундаменты зданий и их отдельных отсеков рекомендуется закладывать на одном уровне во избежание изменения частоты собственных колебаний. В зданиях повышенной этажности следует увеличивать глубину заложения с помощью устройства дополнительных подземных этажей.

При прохождении сейсмических волн поверхность грунта может испытывать растяжение и сжатие в различных направлениях, что может вызвать подвижку фундаментов относительно друг друга, поэтому для исключения подвижки и устойчивости фундаментов рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или непрерывные фундаменты из перекрестных лент (рис. 14.3, а), устраиваемых в сборном или монолитном варианте. Для усиления сборных фундаментов по верху подушки укладывают арматурные сетки и устраивают перевязку блоков в углах и пересечениях, а при сейсмичности 9 баллов армируют все сопряжения стен подвалов. Фундаменты каркасных зданий допускается устанавливать на отдельные фундаменты, которые соединяются друг с другом железобетонными вставками (рис. 14.3, б).

При использовании свайных фундаментов необходима жесткая заделка свай в непрерывный ростверк для воспринятая горизонтальных усилий, возникающих при землетрясениях, при этом следует стремиться опирать нижние концы свай на плотные грунты. Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий работы, при расчете несущей способности основания по боковой поверхности и под острием сваи.

Рис. 14.3. Схемы фундаментов в сейсмических районах

Самыми неблагоприятными основаниями являются водонасыщенные пески, способные разжижаться в условиях сейсмических воздействий и приводить к провальным осадкам зданий, поэтому их следует использовать в качестве оснований только после предварительного уплотнения вибрированием, песчаными сваями или каким-либо другим способом.

Проектирование и устройство фундаментов с учетом сейсмических воздействий гарантируют сохранность сооружения при условии, если и надземная часть здания возведена с учетом данных воздействий.

9.5. ПОВЫШЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ РЕГИОНА

Из газеты "Строительный эксперт", декабрь 1998 г., №23

"…Особенно остро проблемы, связанные с надежностью домов, возникают при строительстве в районах с повышенной сейсмической активностью. Для России - это Дальний Восток и Северный Кавказ. Для многих стран СНГ сейсмические районы - это вся их территория или существенная её часть.

Взять под квалифицированный контроль всё индивидуальное строительство, конечно, невозможно. Другой путь - создание весьма привлекательных строительных технологий, позволяющих в любых условиях обеспечить высокий запас надежности возводимых зданий с комфортным проживанием в них… К такой технологии можно отнести ТИСЭ…."

Нас интересует природа землетрясений, их физические параметры и степень влияния на сооружения.

Основными причинами землетрясений являются перемещения блоков и плит земной коры. По сути, кора Земли - это плиты, плавающие на поверхности жидкой магматической сферы. Приливные явления, обусловленные притяжением Луны и Солнца, беспокоят эти плиты, отчего по линиям их стыка накапливаются высокие напряжения. Достигая критической величины, эти напряжения сбрасываются в виде землетрясений. Если очаг землетрясения находится на материке, то в эпицентре и вокруг него возникают сильные разрушения, если же эпицентр находится в океане, то перемещения коры вызывают цунами. В зоне больших глубин это еле заметная волна. У берега её высота может достичь десятков метров!

Нередко причиной колебаний грунта могут быть местные оползни, сели, провалы техногенного характера, вызванные созданием полостей (горные выработки, забор воды из артезианских скважин…).

В России принята 12–балльная шкала оценки силы землетрясения. Главным признаком здесь является степень повреждения зданий и сооруж<ений. Районирование территории России по балльному принципу приводится в строительных нормах (СНиП II -7-81).

Почти 20% территории нашей страны находится в сейсмически опасных зонах с интенсивностью землетрясений 6 - 9 баллов и 50% подвержены 7 - 9 -балльным землетрясениям.

С учетом того, что технологией ТИСЭ интересуются не только в России, но и в странах СНГ, приводим карту районирования России и соседних стран, находящихся в сейсмически активных зонах (рис. 181).

Рис. 181. Карта сейсмического районирования России и соседних стран

На территории нашей страны выделяют следующие сейсмически опасные зоны: Кавказ, Саяны, Алтай, Прибайкалье, Верхоянск, Сахалин и Приморье, Чукотка и Корякское нагорье.

Строительство в сейсмически опасных зонах требует применения конструкций увеличенной прочности, жесткости и устойчивости, что вызывает удорожание строительства в 7–балльной зоне на 5%, в 8–балльной - на 8% и в 9–балльной - на 10%.

Некоторые особенности сейсмических нагружений элементов здания:

При землетрясении здание подвергается воздействию волн нескольких типов: продольных, поперечных и поверхностных;

Наибольшие разрушения вызывают горизонтальные колебания земли, при них разрушающие нагрузки носят инерционный характер;

Наиболее характерные периоды колебаний почвы лежат в диапазоне 0,1 - 1,5 сек;

Максимальные ускорения составляют 0,05 - 0,4 g, причем наибольшие ускорения приходятся на периоды 0,1 - 0,5 сек, чему соответствуют минимальные амплитуды колебаний (около 1 см) и максимальные разрушения зданий;

Большому периоду колебаний соответствуют минимальные ускорения и максимальные амплитуды колебаний почвы;

Снижение массы конструкции ведет к снижению инерционных нагрузок;

Вертикальное армирование стен здания целесообразно при наличии горизонтальных несущих слоев в виде, например, железобетонных перекрытий;

Сейсмоизоляция зданий - наиболее перспективный способ повышения их сейсмоустойчивости.

Это интересно

Идея сейсмоизоляции зданий и сооружений возникла в далекой древности. При археологических раскопках в Средней Азии были обнаружены под стенами зданий Хека камышитовые маты. Аналогичные конструкции применялись в Индии. Известно, что землетрясение 1897 г. в районе Шиллонга разрушило почти все каменные здания, кроме тех, которые были построены на сейсмоамортизаторах, хотя и примитивной конструкции.

Строительство зданий и сооружений в сейсмоактивных регионах требует выполнения сложных инженерных расчетов. Сейсмостойкие строения, возводимые индустриальными методами, проходят глубокие и всесторонние проработки и сложные расчеты с привлечением большого числа специалистов. Индивидуальному застройщику, решившему построить свой домик, такие дорогостоящие методы недоступны.

Технология ТИСЭ предлагает повышение сейсмоустойчивости зданий, возводимых в условиях индивидуального строительства, сразу по трем направлениям: снижение инерционных нагрузок, повышение жесткости и прочности стен, а также введение механизма сейсмоизоляции.

Высокая степень пустотности стен позволяет значительно снизить инерционные нагрузки на здание, а наличие сквозных вертикальных пустот дает возможность вводить вертикальное армирование, органично вписанное в конструкцию самих стен. По иным технологиям индивидуального строительства это выполнить довольно сложно.

Механизмом сейсмоизоляции является столбчато–ленточный фундамент, возведенный по технологии ТИСЭ.

В качестве вертикальной арматуры фундаментного столба используется пруток диаметром 20 мм из углеродистой стали, который проходит через ростверк. Пруток имеет гладкую поверхность, покрытую гудроном. Снизу он снабжен законцовкой, заделанной в тело столба, а сверху - законцовкой, выступающей из ростверка и снабженной резьбой М20 под гайку (патент РФ № 2221112 от 2002 г.). Сама опора входит в массив ростверка на 4…6 см (рис. 182, а).

Рис. 182. Сейсмоизолирующий фундамент с центральным прутком: А - нейтральное положение опоры фундамента; Б - отклоненное положение опоры фундамента; 1 - опора; 2 - пруток; 3 - законцовка нижняя; 4 - гайки; 5 - ростверк; 6 - полость с песком; 7 - отмостка; 8 - направления колебаний грунта

После бетонирования вокруг каждой из опор тем же фундаментным буром делают три–четыре полости глубиной 0,6…0,8 м и заполняют их или песком, или смесью песка с керамзитом, или шлаком. В песчаном грунте такие полости можно не выполнять.

По окончании строительства гайки прутков затягиваются тарированным ключом. Так в зоне стыка столба с ростверком создается "упругий" шарнир.

При горизонтальных колебаниях почвы столбы отклоняются относительно упругого шарнира, пруток растягивается, при этом ростверк со зданием по инерции остаются неподвижными (рис. 182, б). Упругость почвы и прутков возвращает столбы в исходное вертикальное положение. В течение всего срока эксплуатации здания к узлам натяжения арматуры столбов должен быть обеспечен свободный подход как по внешнему периметру дома, так и под внутренними силовыми стенами. После завершения строительства и после значительных сейсмических колебаний затяжку всех гаек восстанавливают тарированным ключом (М = 40 - 70 кг/м). Такой вариант сейсмо–изолирующего фундамента можно считать в какой?то степени индустриальным, так как он включает прутки и гайки, которые проще изготовить на производстве.

Технологией ТИСЭ предусмотрено выполнение сейсмоизолирующих опор и более демократичным способом, доступным застройщикам с ограниченными производственными возможностями. В качестве армирующего упругого элемента используют две скобы из прутка арматуры диаметром 12 мм с загнутыми законцовками (рис. 183). Средняя часть ветвей арматуры на длине около 1 м смазывается гудроном или битумом (в равном удалении от краев), чтобы исключить сцепление арматуры с бетоном. При сейсмических колебаниях почвы прутки арматуры в средней своей части растягиваются. При горизонтальных смещениях почвы в 5 см арматура растягивается на 3…4 мм. При длине зоны растяжения 1 м в арматуре возникают напряжения 60…80 кг/мм2, что лежит в зоне упругих деформаций материала арматуры.

Рис. 183. Сейсмоизолирующий фундамент с арматурными скобами: 1 - опора; 2 - скоба; 3 - ростверк; 4 - полость с песком

При строительстве дома в сейсмоактивных зонах гидроизоляцию по соединению ростверка со стенами не делают (для исключения их относительного смещения). По технологии ТИСЭ гидроизоляцию выполняют по стыку ростверка с фундаментными столбами (два слоя рубероида на битумной мастике).

При строительстве смежных сооружений, крыльца, элементов отмостки и т. п. следует постоянно обращать внимание на то, чтобы лента фундамента не касалась их своей боковой поверхностью. Зазор между ними должен быть не менее 4 - 6 см. При необходимости допускается подобный контакт (с крыльцом, каркасом легких щитовых пристроек, веранды) из соображения, что после разрушения землетрясением они будут восстановлены.

Это не фундамент, но…

При строительстве в сейсмоакивных районах применение кровли из глиняной или пескобетонной черепицы должно быть обоснованным.

Многие японские дома индивидуальной постройки, имеющие легкий каркас, покрыты добротной глиняной черепицей. В условиях плотной японской застройки такие дома хорошо переносят тайфуны. Однако при землетрясении под тяжестью черепичной крыши дом рушится, погребая жителей под своей непомерной тяжестью.

В настоящее время на строительном рынке появилось много "легких" кровельных материалов, хорошо имитирующих черепицу. Легкая кровля - это минимальные инерционные нагрузки для соединения крыши со стенами и исключение обрушения кровли от излишнего ее веса.

Следующая глава >

diy.wikireading.ru

Самое опасное для фундамента – глубинные подвижки и сейсмические встряски нижних слоев грунта, их тиктанические разломы, которые являются, может быть, редко, но свое присутствие не отменили.

Cлабые колебания 1-2 балла не смогут разрушить или повредить здания или сооружения. Но и они опасны, так как способны воздействовать на местное состояние грунта: от детонации могут возникнуть смещение или оседание, вспучивание, что, в свою очередь, повлечет за собой обрушивание склонов холмов и оврагов, оползни, сели и лавины.

Чаще всего перемещение грунтов на склонах проходит как бы исподволь, то есть под верхним почвенным слоем, скрепленным корнями растительности. Слабые пласты грунта могут либо

осесть на нижние, либо приподняться, образуя при этом провалы, оползни, оседают фундаменты зданий и сооружений, деформируется основание построек.

Землетрясение, как известно, характеризуется короткими толчками, исчисляющимися в доли секунды, в несколько секунд. Но этого времени достаточно, чтобы разрушить все слабоукрепленные, не обладающие особой прочностью и гибкостью здания и сооружения. Действительная причина землетрясений обусловлена перемещением блоков земной коры, которые теснейшим образом связаны с

процессами тектонического порядка. Эти всплески удары распространяются от точки сдвига, наплыва, разлома на громадные пространства в виде детонационных отзвуков и полос.

Поэтому не исключена возможность отзвуков такого землетрясения в слабосейсмических районах, которые могут отрицательно повлиять на сохранность тех зданий и сооружений, которые возведены с минимальными запасами устойчивости и прочности сейсмоизоляции или сейсмозащиты.

Нередко причиной колебаний грунта могут быть местные оползни, сели, размывы овражий, оврагов, крутых и пологих склонов холмов и берегов водоемов – рек, озер и даже сельских прудов. К тому же, верхние слои земли могут быть настолько подвижны, что смещают вниз и вверх ограды, деревья и даже строения. Многие глины ведут себя непогодно: они то усыхают, то разбухают, отчего верхние слои земли словно дышат, опускаются то вниз по склону, то вверх… От таких сотрясений больше всего разрушаются деревянные и каменные одноэтажные дома. Разумеется, на все здания очень сильно влияет землетрясение.

Ввиду того, что поверхностный слой всякого грунта сотрясается гораздо сильнее слоев, лежащих несколько глубже его, желательно возможно большее углубление фундамента и изолирование его от поверхностного слоя грунта посредством не связанных с ним подпорных стенок.

Например, в случае очень слабого грунта может быть выгодным устройство сплошного железобетонного фундамента на свайном основании. Следует отметить, что свайные основания являются одним из наиболее надежных типов для местностей, подверженных землетрясениям, так как связывают здание с более плотными глубоко лежащими слоями грунта.

В случае очень глубокого залегания твердого грунта здание может быть основано на сплошном железобетонном фундаменте, при этом необходимо опустить подошву последнего так, чтобы нагрузка от здания равнялась давлению прилегающих частей грунта, дабы избежать перемещения и выдавливания его из-под здания во время землетрясения.

Деревянные дома выдерживают землетрясение относительно хорошо, особенно одноэтажные и даже мансардные. Их разрушения являются незначительными, так как такие дома гибче и легче, чем каменные, и у них в случае чрезмерно больших толчков и перемещения грунта происходят разломы коренных труб и печей, каминов и теплушек. Каменные же здания от землетрясения страдают весьма

значительно: разрушаются остовы стен по направлению движения волн. И если в таких стенах данной конструкции нет соединительных связей – анкеров, то есть металлических связей, – разрушения будут большими. Поэтому хорошо выдерживают волнообразный напор стихии только те каменные здания, стены которых усилены металлическими связями.

www.vusnet.ru

Фундаменты при сейсмических воздействиях - Фундаменты

Сейсмическими явлениями или землетрясениями называют колебательные движения земной коры в результате проявления внутренних сил земли. Землетрясения вызывают колебания зданий и сооружений и появление сил инерции. Колебания и силы инерции называют сейсмическими‘воздействиями.

Следствием сейсмических воздействий являются деформации и перемещения отдельных конструкций, а также частичное или полное разрушение зданий. Сейсмические воздействия учитываются при 7…9 баллах. При 10 баллах строительство разрешается в исключительных случаях со специальным обоснованием.

Балл сейсмичности для данного типа здания устанавливается по району строительства с учетом дополнительного микрорайонирования, выполняемого на основании специфики инженерно-геологических условий на строительной площадке.

Расчет фундаментных конструкций и их оснований выполняют на основное и особое сочетание нагрузок, причем в последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка. Расчетную сейсмическую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.

При динамическом расчете учитывают массу отдельных элементов здания, сейсмичность района, формы собственных колебаний, особенности колебаний сооружения, тип грунтовых условий, конструктивное решение сооружения и характер допускаемых повреждений и дефектов. После получения сейсмических нагрузок на основании принципа Даламбера проводят статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и статической нагрузки.

При проектировании и строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов в грунтах I и II категорий назначают как для несейсмических районов, но не менее 1 м; грунты III категории требуют предварительного искусственного улучшения.

Фундаменты зданий и их отдельных отсеков рекомендуется закладывать на одном уровне во избежание изменения частоты собственных колебаний. В зданиях повышенной этажности следует увеличивать глубину заложения с помощью устройства дополнительных подземных этажей.

При прохождении сейсмических волн поверхность грунта может испытывать растяжение и сжатие в различных направлениях, что может вызвать подвижку фундаментов относительно друг друга, поэтому для исключения подвижки и устойчивости фундаментов рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или непрерывные фундаменты из перекрестных лент (рис. 14.3, а), устраиваемых в сборном или монолитном варианте. Для усиления сборных фундаментов по верху подушки укладывают арматурные сетки и устраивают перевязку блоков в углах и пересечениях, а при сейсмичности 9 баллов армируют все сопряжения стен подвалов. Фундаменты каркасных зданий допускается устанавливать на отдельные фундаменты, которые соединяются друг с другом железобетонными вставками (рис. 14.3, б).

При использовании свайных фундаментов необходима жесткая заделка свай в непрерывный ростверк для воспринятая горизонтальных усилий, возникающих при землетрясениях, при этом следует стремиться опирать нижние концы свай на плотные грунты. Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий работы, при расчете несущей способности основания по боковой поверхности и под острием сваи.

Рис. 14.3. Схемы фундаментов в сейсмических районах

Самыми неблагоприятными основаниями являются водонасыщенные пески, способные разжижаться в условиях сейсмических воздействий и приводить к провальным осадкам зданий, поэтому их следует использовать в качестве оснований только после предварительного уплотнения вибрированием, песчаными сваями или каким-либо другим способом.

Проектирование и устройство фундаментов с учетом сейсмических воздействий гарантируют сохранность сооружения при условии, если и надземная часть здания возведена с учетом данных воздействий.

Похожие статьи:Основания под фундаменты зданий и сооружений

Навигация:Главная → Все категории → Фундаменты

Статьи по теме:

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

stroy-spravka.ru

Полезная модель относится к строительству, а именно, к фундаментам, возводимым в сейсмических районах. Сейсмоустойчивый фундамент содержит верхние опоры и нижнюю плиту, между которыми расположены катковые элементы. Верхние опоры выполнены в виде колонн с круглым поперечным сечением, каждая из которых размещена внутри кольцевого ограничителя. Ограничители зафиксированы на нижней плите и заполнены Катковыми элементами в виде стальных шаров. Между каждой колонной и соответствующим ограничителем равномерно по окружности расположено, по меньшей мере, три упругих элемента. Полезная модель позволяет упростить конструкцию и повысить мобильность фундамента. 2 з.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к строительству, а именно, к фундаментам, возводимым в сейсмических районах.

Известен сейсмоустойчивый фундамент, содержащий снабженные упругими элементами верхние опоры и нижнюю плиту, между которыми расположены катковые элементы (см. патент SU 1794999, кл. E02D 27/34, опубл. 15.02.1993). Недостатками известного фундамента являются сложность и недостаточная надежность конструкции.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении мобильности фундамента. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что сейсмоустойчивый фундамент содержит снабженные упругими элементами верхние опоры и нижнюю плиту, между которыми расположены катковые элементы, верхние опоры выполнены в виде колонн с круглым поперечным сечением, каждая из которых размещена внутри кольцевого ограничителя, зафиксированного на нижней плите и заполненного катковыми элементами в виде стальных шаров, причем между каждой колонной и соответствующим ограничителем равномерно по окружности расположено, по меньшей мере, три упругих элемента. Нижнюю поверхность верхних опор и верхнюю поверхность нижней плиты внутри ограничителей целесообразно снабдить стальными пластинами. Диаметр стальных шаров предпочтительно составляет 2-3 мм.

На фиг.1 представлен элемента предлагаемого фундамента, вид сбоку;

На фиг.2 - вид сверху.

Сейсмоустойчивый фундамент содержит нижнюю плиту 1 и расположенные на ней верхние опоры в виде колонн 2 с круглым поперечным сечением, на которых устанавливается здание. На нижней плите зафиксированы кольцевые ограничители 3, внутри которых на стальной пластине 4 расположены стальные шары 5 диаметром 2-3 мм таким образом, чтобы обеспечить их беспрепятственное качение внутри ограничителя 3. Колонны 2, нижняя часть которых также снабжена стальной пластиной 6, расположены в центре пространства внутри ограничителей 3 и имеют возможность перемещаться внутри них, перекатываясь по шарам 5. Между каждой колонной 2 и соответствующим ограничителем равномерно по окружности расположено, по меньшей мере, три упругих элемента 7, например, пружины.

Круглая форма колонн 2 и ограничителей 3 позволяет обеспечить необходимый зазор для перемещения, одинаковый во всех направлениях, что исключает возможность возникновения ударных воздействий на угловые элементы (как в прототипе). Возврат колонн 2 в исходное положение может быть обеспечен тремя упругими элементами, однако возможна установка и большего их числа (на фиг.2 изображен вариант с установкой четырех элементов 7). Стальные пластины и шары имеют высокую прочность, что обеспечивает минимизацию коэффициента трения качения при невысокой стоимости. Диаметра шаров в 2-3 мм достаточно для установки на фундаменте среднестатистического жилого здания.

При возникновении сейсмической активности колонны 2 перекатываются в ограничителях 3, снижая механическое нагрузки на здание. Поскольку каждая колонна независимо перемещается в собственном ограничителе, вся конструкция легче откликается на внешнее воздействие и легче занимает исходное положение. При этом могут быть использованы менее мощные упругие элементы (пружины). Кроме того, разрушение одной пары элементов 2-3 не влияет на функционирование всей конструкции.

Если нагрузка на колонну 2 составляет 1000 тонн (современные здания и сооружения весят десятки тысяч тонн), то из-за низкого коэффициента трения, чтобы вернуть колонну в центр при сдвиге, необходимо усилие всего в 1 тонну. Предлагаемый фундамент позволяет защитить как жилые дома, так и мосты, стадионы, атомные станции и т.д. от землетрясений силой до 9-10 баллов по шкале Рихтера.

1. Сейсмоустойчивый фундамент, содержащий снабженные упругими элементами верхние опоры и нижнюю плиту, между которыми расположены катковые элементы, отличающийся тем, что верхние опоры выполнены в виде колонн с круглым поперечным сечением, каждая из которых размещена внутри кольцевого ограничителя, зафиксированного на нижней плите и заполненного катковыми элементами в виде стальных шаров, причем между каждой колонной и соответствующим ограничителем равномерно по окружности расположено, по меньшей мере, три упругих элемента.

2. Фундамент по п.1, отличающийся тем, что нижняя поверхность верхних опор и верхняя поверхность нижней плиты внутри ограничителей снабжены стальными пластинами.

3. Фундамент по п.1, отличающийся тем, что диаметр стальных шаров составляет 2-3 мм.

poleznayamodel.ru

Такие слабые колебания не смогут разрушить или повредить здания или сооружения. Но и они опасны, так как способны воздействовать на местное состояние грунта: от детонации могут возникнуть смещение или оседание, вспучивание, что, в свою очередь, повлечет за собой обрушивание склонов холмов и оврагов, оползни, сели и лавины. Чаще всего перемещение грунтов на склонах проходит как бы исподволь, то есть под верхним почвенным слоем, скрепленным корнями растительности. Но если для того, чтобы разорвать дернину трав, требуется немалая сила, то для того, чтобы разорвать корни деревьев, потребуется усилие, измеряемое тоннами. Происходит это легко и быстро, даже если это эхо детонации далекого от этих мест землетрясения. При этом слабые пласты грунта могут либо осесть на нижние, либо приподняться, образуя при этом провалы, оползни, оседают фундаменты зданий и сооружений, деформируется основание построек.

Особо опасно такое подземное воздействие для одноэтажных зданий, расположенных в сельской местности, где толчки имеют разностороннюю направленность: вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад, сдвиг винтом. Как правило, предельное состояние зданий подразделяется на две группы: первая - по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации, где могут быть повреждения отдельных конструкций (например, конструкций кровельного и станового ограждения, вертикальных связей по колоннам, стоек фахверка и др.) и их остаточные смещения, не угрожающие безопасности людей или сохранности ценного оборудования; вторая группа - по непригодности к нормальной эксплуатации, где в принципе расчет зданий с учетом сейсмических воздействий производится на условные статические нагрузки, определенные по графикам спектрального коэффициента динамичности.

На условные статические воздействия рассчитываются все здания, проектируемые для сейсмических районов, а также на выбор расчетных сейсмических воздействий, которые определяются с учетом характера сейсмического режима в районе строительства, а также детального и микросейсмического районирования. Этот расчет является дополнительным и рекомендуется для особо ответственных зданий и сооружений с пролетами структурных конструкций более 36 м.

Особенности расчета зданий с покрытиями из структурных конструкций обусловлены сравнительно большими пролетами и редким расположением опор. Например, вертикальную составляющую сейсмического воздействия необходимо учитывать при расчете структурных конструкций (включая их горизонтальные напольныеучастки), капитальных участков колонн, узлов сопряжения структурных конструкций с вертикальными несущими конструкциями, крановых консольных колонн. Кроме того, выполняются расчеты структурных конструкций покрытия при изгибе из их плоскости на вертикальные сейсмические нагрузки, вертикальных несущих конструкций (колонн) на горизонтальные нагрузки в плоскости покрытия, узлов сопряжений структурных конструкций с колоннами на совместное действие условий от горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок и т.д.

Как известно, идея таких конструкций связана с принятой в нормах спектральной кривой, представляющей собой закон сейсмических колебаний грунта, характеризующий изменение максимальных смещений (линейный осциллятор) в зависимости от периода колебаний. По этой спектральной кривой увеличение периода колебаний конструкций дает возможность значительно снизить давление сейсмических инерционных сил на здание. Потому такие явления природы, как лавины, сели, оползни и землетрясения, требуют от проектировщиков, архитекторов и инженеров-строителей предельной внимательности и самого тщательного соблюдения строительных норм и правил, в частности СНиП II-7 «Строительство в сейсмических районах».

Землетрясение, как известно, характеризуется короткими толчками, исчисляющимися в доли секунды, в несколько секунд. Но этого времени достаточно, чтобы разрушить все слабоукрепленные, не обладающие особой прочностью и гибкостью здания и сооружения. Действительная причина землетрясений обусловлена перемещением блоков земной коры, которые теснейшим образом связаны с процессами тектонического порядка. Эти всплески-удары распространяются от точки сдвига, наплыва, разлома на громадные пространства в виде детонационных отзвуков и полос.

Поэтому не исключена возможность отзвуков такого землетрясения в слабосейсмических районах, которые могут отрицательно повлиять на сохранность тех зданий и сооружений, которые возведены с минимальными запасами устойчивости и прочности сейсмоизоляции или сейсмозащиты. На рис. 19 показана наиболее простая система сейсмо-защиты малоэтажного здания, которая использовалась в строительстве. Кроме того, нередко используют металлические конструкции стоек, колонн, труб при усилении ответровых нагрузок.

От внезапных слабых и сильных колебаний поверхности земли при землетрясениях, в принципе, никто не застрахован. Колебание верхних слоев грунта может произойти и от обрушений более глубинных его слоев, где нередко оказываются емкости, полости, то есть природные пустоты: бывшие линзы грунтовой воды, смещение слоев земли и подобные естественные передвижения. Нередко причиной колебаний грунта могут быть местные оползни, сели, размывы овражий, оврагов, крутых и пологих склонов холмов и берегов водоемов - рек, озер и даже сельских прудов. К тому же, верхние слои земли могут быть настолько подвижны, что смещают вниз и вверх ограды, деревья и даже строения. Многие глины ведут себя непогодно: они то усыхают, то разбухают, отчего верхние слои земли словно дышат, опускаются то вниз по склону, то вверх. От таких сотрясений больше всего разрушаются деревянные и каменные одноэтажные дома. Разумеется, на все здания очень сильно влияет землетрясение.

При анализе этих влияний и их последствий выработалось основное - направление внезапно появляющихся колебаний, и были учтены имеющиеся разрушения от них в различных конструктивных схемах домов. Например, что касается деревянных домов, то лучше всего такие колебания выдерживают легкие фахверковые постройки, в которых вместо потолочных балок употребляются доски на ребро.

Из местностей, наиболее часто подвергающихся сильным землетрясениям, в настоящее время остаются Закавказье - окрестности гор, Ахалкалак и Шемахи, Закаспийская область - Беловодск, Красноводск, и Туркестан с Ферганской областью, затем Семиречье и Забайкалье. Но такие опасные местности могут быть в любое время расширены, а также могут появиться и новые. Так что не следует всем архитекторам и строителям надеяться на постоянную стабильность оснований зданий и сооружений. Каждое архитектурное строение, его объем должны иметь прочное основание, которое при всех обстоятельствах обязано содержать в фундаменте и конструкциях стен запасные коэффициенты на внезапные земные подвижки, сдвиги, срезы, смещения и перемещения.

Со временем из многочисленных сейсморазрушений зданий и сооружений были выбраны строительные конструкции и строительные материалы, которые в той или иной степени выдерживают или сопротивляются такому разрушению. То есть были со временем выработаны практические способы для борьбы с землетрясениями там, где они проявляются наиболее часто. В конце XX века эти наблюдения и изучения были использованы при строительстве в Узбекистане, в частности в районе Ташкента, при строительстве станционных сооружений.

В качестве предохранительных мер, например, были установлены поперечные стены, контрфорсы и заложены железные связи. Было также замечено, что железно-каменные скелетные здания, несмотря на расположение их в районе наибольших разрушений, при высоте до 20 этажей пострадали от землетрясений очень мало и остались стоять, не выйдя даже от отвеса прямой. Объясняется это рациональным устройством их оснований и фундаментов, а также жесткостью самого их остова. Поэтому фундаменты и являются той частью здания, которая непосредственно воспринимает колебания почвы и передает их всей массе здания.

Ввиду того, что поверхностный слой всякого грунта сотрясается гораздо сильнее слоев, лежащих несколько глубже его, желательно возможно большее углубление фундамента и изолирование его от поверхностного слоя грунта посредством не связанных с ним подпорных стенок. Например, в случае очень слабого грунта может быть выгодным устройство сплошного железобетонного фундамента на свайном основании. Следует отметить, что свайные основания являются одним из наиболее надежных типов для местностей, подверженных землетрясениям, так как связывают здание с более плотными глубоко лежащими слоями грунта.

Таким образом, при постройке тяжелых скелетных (каркасных) зданий должна быть достигнута прочная подпочва одним из обыкновенных способов, то есть сваями, столбами, опускными колодцами или кессонами, при этом отдельные опоры должны быть надежно связаны между собой.

То же самое относится и к скелетным конструкциям малоэтажных зданий как в черте города, так и в сельской местности. Такие фундаменты дают гарантию не только в случае сейсмика, оползней, селей, но и при весенних и дождевых паводках и заливах. Они смогут устоять от напора стихии. Разумеется, фундаменты после напора стихии подлежат соответствующему ремонту, но на это тратится меньше средств и времени, чем на восстановление дома, который разрушился до основания.

В случае очень глубокого залегания твердого грунта здание может быть основано на сплошном железобетонном фундаменте, при этом необходимо опустить подошву последнеготак, чтобы нагрузка от здания равнялась давлению прилегающих частей грунта, дабы избежать перемещения и выдавливания его из-под здания во время землетрясения.

При быстром передвижении фундамента в первый момент землетрясения нижняя часть здания принимает участие в этом движении, тогда как верхняя по свойству инерции остается на месте. При этом в остове здания возникают перерезывающие усилия, имеющие максимум у фундамента, и изгибающие усилия, достигающие максимума в точке покоя.

Таким образом, здание в первый момент землетрясения может быть рассматриваемо как упругий брус, закрепленный близ его вершины. Но уже в следующий момент, то есть когда здание воспримет удар землетрясения всей своей массой, оно начинает колебаться, как брусок, закрепленный у самой подошвы, и, следовательно, усилия, возникшие в его остове, будут аналогичны обыкновенным ветровым усилиям, увеличивающимся от вершины к подошве здания.

Деревянные дома выдерживают землетрясение относительно хорошо, особенно одноэтажные и даже мансардные. Их разрушения являются незначительными, так как такие дома гибче и легче, чем каменные, и у них в случае чрезмерно больших толчков и перемещения грунта происходят разломы коренных труб и печей, каминов и теплушек. Каменные же здания от землетрясения страдают весьма значительно: разрушаются остовы стен по направлению движения волн. И если в таких стенах данной конструкции нет соединительных связей - анкеров, то есть металлических связей - разрушения будут большими. Поэтому хорошо выдерживают волнообразный напор стихии только те каменные здания, стены которых усилены металлическими связями.

В местностях, где существует постоянная угроза сейсмика, возводят только такие дома, стены которых усилены металлическими анкерами, то есть железобетонные. В районах сейсмика, а также в затопляемых и подтопляемых районах нельзя строить дома саманные, глинобитные, с сыпучим стеновым наполнителем и т.п. Разумеется, последние дома дешевые и возводятся из местных строительных материалов: песка, глины, сама, жердей и хвороста. Но целесообразно в данных местностях возводить не менее дешевые постройки из дерева - бревенчатые, щитовые, каркасно-щитовые или фахверковые (с выступающим на наружные плоскости стен дома деревянным каркасом).

При выборе места для населенных пунктов (сел, поселков, дачных участков и т.п.) и при их планировке, особенно в сейсмических местах, следует провести полный анализ данного района: характер происходящих землетрясений, геологическое строение местности. Самым подходящим будет место с твердым грунтом. Именно такой грунт, как правило, встречается на возвышенностях. Действие сейсмических ударов значительно ослабляется коренными массивными породами, а также рыхлыми наносами, мощностью слоя не менее 30 метров Необходимо вести контроль за возможным зеркалом паводковых и дождевых разливов, чтобы населенный пункт не попал в зону затопляемости. В том случае если застройки попали в предполагаемую зону затопления паводковыми водами реки, озера и т. п., то дома должны быть поставлены на высокие каменные подклеты, столбы и сваи.

Одним из доступных приемов для индивидуального застройщика в деле ограждения своего дома от сейсмического воздействия волнообразной подземной волны является обводка по периметру дома с наружной стороны. Такая обводка представляет собой траншею трапецеидальной формы, сделанную в пределах отмостки на ширину до 70-80 см (по типу закрытого дренажа). Такое сооружение (галерея), окружающее фундамент дома, отражает поверхностные сейсмические волны, а также и механические воздействия с внешней стороны. Кроме того, в доме целесообразно делать кессонный потолок и усиливать стены с помощью внутреннего каркаса.

В случаях, когда ровная площадка с одной из сторон имеет линию бровки склона, овражья или оврага, фундаментную плиту устанавливают на сваях по ее углам. Если в плане плита прямоугольная и ее длина превышает ширину, с учетом нагрузок на нее (объемный вес дома) и других возникающих усилий, например сдвига, по краям плиты ставят дополнительно две-три опорные сваи.

www.odoms.ru

Особенности конструирования и расчета фундаментов в сейсмических районах

Основания и фундаменты мостов в сейсмических районах проектируют, руководствуясь указаниями СНиП II-7-81, СНиП 2.02.03-85 и СНиП П-18-76. Наибольшая вероятная сила землетрясения в районе или в местах возведения любых зданий и сооружений, включая мосты, выраженная в баллах, принимается по приведенным в СНиП II-7-81 картам сейсмического районирования территории СССР или списку основных населенных пунктов СССР, расположенных в сейсмических районах. Указанная на картах сейсмичность относится к равнинным участкам со средними геологическими условиями, характеризуемыми залеганием с поверхности большой толщи слабовлажных суглинков, и низким (глубже 10 м от естественной поверхности грунта) уровнем подземных вод.

После определения сейсмичности района строительства по картам сейсмического районирования или списку населенных пунктов устанавливают на основе карт сейсмического микрорайонирования или по материалам общих инженерно-геологических изысканий уточненную сейсмичность площадки строительства. Сейсмичность площадки строительства моста принимают, как правило, единой на всем ее протяжении. Однако в некоторых случаях инженерно-геологические условия площадки могут резко различаться по длине сооружения. Например, условия в русле реки отличаются от условий на ее поймах. В таких случаях сооружение следует проектировать с учетом более сильного сейсмического воздействия.

Принятая сейсмичность площадки строительства характеризует максимальную силу возможного землетрясения в ее пределах независимо от назначения и степени ответственности сооружения. Однако экономически неоправданно в условиях одинаковой сейсмичности проектировать разные здания и сооружения в расчете на землетрясения одной и той же силы. Очевидно, степень гарантии безопасности зданий и сооружений должна зависеть от их назначения, капитальности, срока надежной эксплуатации, опасности последствий разрушения и размера вызванных этим убытков. Для возможности учета этих требований в действующих нормах введено понятие расчетной сейсмичности сооружения, или, кратко, расчетной сейсмичности.

Поскольку размещение мостов предопределено местами пересечения трассы дороги с водотоками, логами, другими дорогами и не может быть существенно изменено, то практически отпадает возможность выбора более благоприятных по геологическим условиям площадок для возведения мостов, а необходимую сейсмостойкость мостов и в первую очередь опор приходится обеспечивать путем правильного выбора оснований, фундаментов и надфундаментной части опор, а также схемы и конструкции моста в целом.

В обеспечении сейсмостойкости фундаментов первостепенное значение имеет правильный выбор несущего пласта грунтов. Наилучшими грунтами несущего пласта считаются скальные, крупнообломочные и песчаные грунты, твердые и полутвердые глины, а также любые вечно-мерзлые грунты, используемые по принципу I. Такие грунты мало изменяют показатели своих механических свойств при сейсмическом воздействии как в условиях отсутствия воды, так и при ее наличии.

Водонасыщенные рыхлые, а также средней плотности сложения пески при совместном воздействии нагрузки от сооружения и землетрясения легко уплотняются из-за перехода их частиц из неустойчивого равновесия в более устойчивое. При этом, а также вследствие уменьшения трения между частицами они сближаются, вытесняя воду из пор. Отжимаемая из пор вода стремится уйти в сторону наименьшего сопротивления, увлекая за собой частицы грунта, в результате чего происходит разжижение песков, а иногда и их выпор с потерей устойчивости основания. Внезапное разжижение водонасыщенных песков бывает крайне редко. Однако известны случаи, приводившие к полному разрушению мостов, зданий и сооружений.

Разрушаются подтопленные песчаные насыпи, когда происходит внезапное разжижение грунта, например, под влиянием сотрясений от проходившего поезда, производства поблизости взрывных работ или других аналогичных причин.

Особенно неблагоприятны для оснований намытые под водой пески или насыпные грунты ввиду их высокой пористости.

Повышение плотности сложения песков при сейсмическом воздействии приводит к значительным не предусмотренным в проектах мостов осадкам основания фундамента, а иногда к появлению сил негативного трения по боковой поверхности фундаментов, создающих дополнительную, не учитываемую в расчетах, нагрузку на основание.

Глинистые грунты при сейсмическом воздействии уплотняются значительно меньше, чем песчаные, так как отжатие воды из пор между глинистыми частицами происходит медленнее, чем у песков.

С увеличением размера поперечного сечения свай затрудняется возможность вдавливания (внедрения) их низа в несущий пласт, особенно если он состоит из водонасыщенных средней плотности сложения песков или туго-пластичных глинистых грунтов, поэтому при равных условиях для фундаментов на таких грунтах предпочтительнее оболочки либо столбы с уширенной пятой или без нее.

Под воздействием сейсмической силы происходит отлипание (отслаивание) грунта от боковой поверхности фундаментов или элементов на некоторую глубину от поверхности грунта, причем тем большую, чем меньше их гибкость и выше сейсмичность. Вследствие отлипания грунта в пределах верхней части элементов или фундаментов исключаются силы трения грунта о их боковую поверхность.

С увеличением глубины повышается природная плотность сложения грунтов и существенно затухают силы сейсмического воздействия, поэтому при увеличении глубины заложения фундаментов при прочих равных условиях повышается их сейсмостойкость.

www.stroitelstvo-new.ru

Сейсмоустойчивая свая

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройствам, используемым для укрепления фундамента зданий и сооружений, и предотвращения их разрушения в сейсмически неблагоприятных районах. Сейсмоустойчивая свая включает железобетонную конструкцию. Она имеет конусообразное основание с оцинкованной оболочкой из листовой стали, помещена в пескобетонный армированный цилиндр с конусообразным завершением, на дно которого насыпан гранитный песок, слоем порядка одного метра. Пространство между железобетонной сваей и боковыми частями конусообразной оболочки заполнены песком на высоту полого цилиндра. Технический результат состоит в обеспечении надежности фундамента, обеспечении укрепления фундамента, не допускающего разрушения здания при значительных колебаниях земли в сейсмически опасных условиях, снижении материалоемкости. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, в частности к устройствам, используемым для укрепления фундамента зданий и сооружений, для предотвращения их разрушения, в сейсмически неблагоприятных районах.

Известна буронабивная свая, изготовленная из бетона и металла, которая устанавливается в полученную путем бурения скважину, на значительную глубину, до скального основания .

Недостатком такой сваи является ее незначительная площадь опоры, вследствие чего она не является надежным укреплением здания при подземных толчках, поскольку при перемещениях в основании зданий возникают реакции, способные как разрушить сваю, так и выдернуть из основания.

Кроме того, данный вид свай требует особых затрат, так как при их производстве используется значительное количество бетона и металла.

Известна плавающая свая, представляющая собой конструкцию в виде пучкообразного каркаса с помощью металлических клиньев, не укрепленных на определенной глубине, а являющейся как бы «плавающей опорой» здания, которая принимает нагрузку, удерживает фундамент, предотвращая его разрушение .

Производство и установка данной конструкции представляют собой дорогостоящую и сложную в установке процедуру, затрачивается значительное количество металла, необходимое для изготовления металлического каркаса в виде клиньев.

При подземных толчках использование плавающих свай не исключает возможности их «вырывания», так как непосредственно такие конструкции нигде не закреплены, следовательно, по своей форме и особенностям эти установки не могут являться надежным средством укрепления фундамента здания.

Задачей предлагаемого изобретения является укрепление фундамента, не допускающего разрушения здания, даже при значительных колебаниях земли в сейсмически опасных условиях.

Поставленная задача решается путем создания сваи специфического строения, установленной на песчаной подушке.

Сейсмоустойчивая свая изображена на чертеже, где позициями обозначены:

1 - железобетонная конструкция с развитым конусообразным основанием;

2 - конусообразная оболочка из оцинкованной листовой стали на конусообразном основании сваи;

3 - скважина;

4 - полая конусообразная оболочка;

5 - пескобетонный полый армированный цилиндр с конусообразным завершением;

6 - гранитный песок.

Сейсмоустойчивая свая состоит из железобетонной цилиндрической конструкции и конусообразного основания (1), конусообразное основание выполняется по месту установки (в скважине) при заливке бетона в армированную конусообразную оболочку из листовой стали (2).

Дальнейшая технология изготовления сейсмоустойчивой сваи происходит на месте ее будущей установки и происходит следующим образом.

Первоначально бурят скважину (3) глубиной от 10 до 12 м, до более плотных слоев земли. Шахтерским методом собирают и устанавливают в скважину (3) полую конусообразную оболочку (4) меньшего диаметра, изготовленную из металла, и обсадную трубу, пространство между скважиной (3), полой конусообразной оболочкой (4) и обсадной трубой заполняют под давлением цементно-песчаной массой, обсадная труба вынимается. В результате образуется пескобетонный армированный полый цилиндр с конусообразным завершением (5). На дно этого цилиндра (5) насыпают гранитный песок (6) высотой слоя от 600 до 1000 мм (по расчету).

На образованную «подушку» устанавливают конусообразную оболочку из оцинкованной стали меньшего диаметра (2) и обсадную трубу, армируют основание и ствол конструкции, образуется железобетонная цилиндрическая конструкция с конусообразным основанием (1). Обсадная труба вынимается. Пространство между железобетонной сваей и боковыми частями конусообразной оболочки (4) заполняют песком на всю высоту пологого цилиндра.

Предлагаемая конструкция сваи позволяет укрепить фундамент, не допустить разрушение здания даже при значительных колебаниях земли в сейсмически опасных условиях.

Песок является идеальным материалом, дающим нулевую осадку здания. В случае подземного толчка, благодаря особому свойству песка и специфическому строению сваи, конструкция выступит как гигантский амортизатор, земные колебания загасятся в фундаментной части здания и, соответственно, возможность разрушения здания будет сведена к минимуму.

Расчетная допустимая глубина бурения сваи, рассчитанная на срез сваи при толчке в 8-9 баллов по шкале Рихтера - от 10-12 м (при подземной толчке, существует высокая вероятность среза свай, установленных ниже указанной отметки). Таким образом, установка сейсмоустойчивой сваи, производиться на оптимально безопасной глубине, что предполагает и значительную экономию, так как отсутствует необходимость бурения скважины на большую глубину - основание конуса сваи может быть увеличено по расчету до необходимого диаметра.

Специфическая конструкция оболочки сейсмоустойчивой сваи исключает возможность «выдергивания» даже при значительных подземных колебаниях, конструкция надежно фиксируется на необходимой глубине.

Применение предложенной сейсмоустойчивой сваи, за счет ее особого строения, не требует дополнительных затрат, так как уровень максимальной безопасности здания достигается путем использования значительно меньшего количества свай по сравнению с наиболее часто используемыми сваями.

Учитывая минимальный уровень затрат при производстве и установке, надежность и явное преимущество перед другими видами свай, использование данной сваи в сейсмически неблагоприятных районах является наиболее актуальным.

Источники информации

1. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

2. СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» - ч.II, гл.7.

3. Назаров Ю.П., Васюткин А.Н. «Векторный анализ записей сильных землетрясений». // Тр.ин-та ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко - 1983 г.

5. СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».

Сейсмоустойчивая свая, включающая железобетонную конструкцию, отличающаяся тем, что она имеет конусообразное основание с оцинкованной оболочкой из листовой стали, помещена в пескобетонный армированный цилиндр с конусообразным завершением, на дно которого насыпан гранитный песок слоем порядка одного метра, и пространство между железобетонной сваей и боковыми частями конусообразной оболочки заполнено песком на высоту полого цилиндра.

www.findpatent.ru

1 Пункт 12.2.5. составлен канд. техн. наук Л.Р. Ставницером

Расчет несущей способности оснований при особом сочетании нагрузок производится для обеспечения прочности скальных грунтов и устойчивости нескальных грунтов, а также исключения сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Выполнение этих условий предусматривает сохранность строительных конструкций, выход из строя которых угрожает обрушением здания или его частей. При этом допускаются повреждения элементов конструкций, не угрожающие безопасности людей или сохранности ценного оборудования. Деформации основания (абсолютные и неравномерные осадки, крены) могут превышать предельные значения, допустимые при основном сочетании нагрузок, и поэтому при особом сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий расчету не подлежат.

Расчет оснований по несущей способности производится на основании условия

N a ≤ γ c.e qN u.e q /γ n ,

где N a — вертикальная составляющая расчетной внецентренной нагрузки в особом сочетании; N u.eq — вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания при сейсмических воздействиях; γ c.eq — сейсмический коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0, 0,8 и 0,6 для грунтов соответственно I, II и III категории но сейсмическим свойствам (см. табл. 12.7), причем для зданий и сооружений, возводимых в районах с повторяемостью землетрясений 1, 2 и 3, значение γ c.eq следует умножить на 0,85, 1,0 и 1,15 соответственно (повторяемость землетрясений в рассматриваемом районе определяется в соответствии с главой СНиП II-7-81); γ n — коэффициент надежности по назначению, принимаемый по указаниям гл. 5.

Несущая способность (прочность) основания из скальных грунтов определяется на внецентренное действие вертикальной составляющей нагрузки. Наклон равнодействующей сил, приложенных к основанию при особом сочетании нагрузок, можно не учитывать при условии выполнения расчета фундамента на сдвиг по подошве.

При расчете несущей способности (потери устойчивости) основания из нескальных грунтов необходимо учитывать возможность образования в грунте поверхности скольжения, при этом соотношение между нормальными и касательными напряжениями по всей поверхности скольжения должно соответствовать предельному состоянию грунта и характеризуется расчетными значениями угла внутреннего трения и удельного сцепления.

Несущая способность основания характеризуется предельной нагрузкой, соответствующей потере устойчивости грунта при сейсмических колебаниях. При вычислении этой нагрузки должны быть учтены не только напряжения в грунте от его собственного веса и внешних нагрузок на основание, но и динамические напряжения, возникающие при распространении сейсмических волн и обусловленные действием объемных сил инерции грунта.

Горизонтальная составляющая нагрузки учитывается лишь при проверках устойчивости зданий на опрокидывание и сдвиг по подошве фундамента, что почти всегда удовлетворяется. Проверка на сдвиг по подошве является обязательной при наличии длительно действующих горизонтальных нагрузок в основном сочетании. В этом случае учитывается трение подошвы фундамента о грунт, а коэффициент надежности, представляющий собой отношение удерживающих и сдвигающих сил, принимается равным не менее 1,5.

При общепринятом в теории сейсмостойкости сооружений горизонтальном направлении сейсмических сил инерции грунта, расположенного выше и ниже подошвы фундамента, ординаты эпюры предельного давления под краями подошвы фундамента (рис. 12.15) определяются по формулам:

Рис. 12.15.

;

p b = p 0 + ξ γ γ I b (F 2 - k eq F 3),

где ξ q , ξ c и ξ γ — коэффициенты, зависящие от соотношения сторон подошвы прямоугольного фундамента; F 1 , F 2 и F 3 — коэффициенты, определяемые по рис. 12.16 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения φ I ; γ" I и γ I — соответственно расчетные значения удельного веса слоев грунта, находящихся выше и ниже подошвы фундамента (в необходимых случаях определяются с учетом взвешивающего действия подземных вод); d — глубина заложения фундаментов (при неодинаковой вертикальной пригрузке с разных сторон фундамента принимается значение d со стороны наименьшей пригрузки, например со стороны подвала): b — ширина подошвы фундамента; c I — расчетное значение удельного сцепления грунта; k eq — коэффициент, значение которого принимается равным 0,1 при расчетной сейсмичности 7 баллов; 0,2 при 8 баллах и 0,4 при 9 баллах.

Рис. 12.16. Зависимости F 1 , F 2 и F 3 от угла внутреннего трения

Коэффициенты влияния соотношения сторон подошвы фундамента вычисляются по следующим выражениям:

ξ q = 1 + 1,5b/l ; ξ c = 1 + 0,3b/l ; ξ γ = 1 - 0,25b/l ,

где l — длина фундамента в направлении, перпендикулярном расчетному.

Формулы (12.60) применимы при условии l ≥ b/l ≥ 0,2. Если b/l < 0,2, фундамент следует рассчитывать как ленточный. Если b/l > 1, коэффициенты влияния соотношения сторон принимаются:

ξ q = 2,5; ξ c = 1,3; ξ γ = 0,75,

однако при этом необходимо произвести дополнительную проверку устойчивости основания в поперечном направлении.

Для ленточных фундаментов следует считать ξ q ξ c = ξ γ = 1. Эксцентриситет расчетной нагрузки е а и эксцентриситет эпюры предельного давления e n определяются выражениями:

e a = M a /N a ;

,

где N a и M a — вертикальная составляющая расчетной нагрузки и момент, приведенные к подошве фундамента при особом сочетании нагрузок.

Величины e a и e n рассматриваются с одинаковым знаком, т.е. направлены в одну сторону от вертикальной оси симметрии фундамента, так как минимум несущей способности основания наблюдается при сдвиге в сторону, противоположную эксцентриситету нагрузки.

При e a ≤ e n предельное сопротивление основания находится по формуле

.

При e a > e n учитывается не вся эпюра предельного давления, ординаты которой определены по формулам (12.58) и (12.59), а лишь усеченная ее часть, показанная на рис. 12.15 пунктиром. Максимальная ордината p b этой усеченной эпюры совпадает с исходной, а минимальная p " 0 имеет меньшее значение, чем р 0 , и вычисляется по формуле

,

которая получена таким образом, чтобы эксцентриситет усеченной эпюры предельного давления совпадал с заданным эксцентриситетом нагрузки. Погрешность расчета при этом приеме идет в запас прочности основания, так как усеченная эпюра находится в пределах теоретической.

После подстановки в формулу (12.64) вместо р 0 выражения (12.65) получаем формулу нижней границы предельного сопротивления основания при e a > e n :

.

При расчете сейсмостойкости для ленточного фундамента нагрузка и несущая способность в формуле (12.57) определяются для единицы его длины (l = 1).

При расчете оснований и фундаментов на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий допускается неполное опирание подошвы фундамента на грунт (частичный отрыв), если выполнены следующие условия:

эксцентриситет расчетной нагрузки не превышает одной трети ширины фундамента в плоскости опрокидывающего момента

e a ≤ b /3;

расчет несущей способности основания производится для условной ширины фундамента b c , равной ширине зоны сжатия под подошвой фундамента (при e a ≥ b /6 )

b c = 3(b /2 - e a );

максимальное расчетное напряжение под подошвой фундамента σ max , вычисленное с учетом неполного опирания фундамента на грунт, не должно превышать краевой ординаты эпюры предельного давления

,

где p b — определяется по формуле (12.59), но для фундамента, имеющего условную ширину b c .

Эксцентриситеты нагрузки и треугольной усеченной эпюры предельного давления при частичном отрыве подошвы фундамента совпадают и равны b с /6 , поэтому формула (12.66) имеет вид:

N u.eq = blp b /2.

При одновременном действии на фундамент системы сил и моментов во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях расчет несущей способности основания на особое сочетание нагрузок производится раздельно на действие сил в каждом направлении, независимо друг от друга.

Пример 12.6. Рассчитать несущую способность основания ленточного фундамента. По расчету на основное сочетание нагрузок ширина подошвы фундамента принята b = 6 м при глубине заложения d = 2м. Фундамент опирается на основание, сложенное пылеватым влажным песком, для которого определены следующие значения расчетных характеристик: удельный вес грунта γ I = 1,5·10 4 Н/м 3 ; угол внутреннего трения φ I = 26°; удельное сцепление c I = 0,4·10 4 Н/м 2 ; удельный вес насыпного грунта ниже подошвы фундамента γ" I = 1,2·10 4 Н/м 3 . При особом сочетании нагрузок с учетом сейсмического воздействия интенсивностью 9 баллов к подошве фундамента приложены вертикальная нагрузка N a = 104·10 4 Н/м, горизонтальная нагрузка T = 13·10 4 Н/м и момент M a = 98·10 4 Н·м/м. Необходимо рассчитать основание по первому предельному состоянию.

Решение . По рис. 12.16 определяем: F 1 = 12; F 2 = 8,2; F 3 = 16,8 и принимаем k eq = 0,2. Ординаты эпюры предельного давления под краями подошвы ленточного фундамента вычисляем по формулам (12.68) и (12.50):

p 0 = 1 · 12 · 1,2 · 10 4 · 2 + (12 - 1)0,4 · 10 4 /0,49 = 45 · 10 4 Н/м 2 ; p b = 45 · 10 4 + 1 · 1,5 · 10 4 · 6(8,2 - 0,2 · 16,8) = 80,3 · 10 4 Н/м 2 .

Эксцентриситеты расчетной нагрузки и эпюры предельного давления находим по формулам (12.62) и (12.63):

м; м.

Величина e a < b /6 , следовательно, подошва фундамента опирается на грунт полностью.

Так как e n < e a , предельное сопротивление основания определяем по формуле (12.66):

Н/м.

Принимаем γ c.eq = 0,8 и по формуле (12.57) окончательно получаем:

N a = 104·10 4 Н/м < 0,8·248·10 4 /1,2 = 166·10 4 Н/м.

Следовательно, принятые по расчету на основное сочетание нагрузок размеры фундамента со значительным запасом удовлетворяют проверке по первому предельному состоянию при особом сочетании нагрузок.

Пример 12.7. Рассчитать несущую способность основания столбчатого фундамента, подошва которого имеет размеры b = 2,8 м, l = 4,4 м и на глубине d = 1,8 м опирается на основание, сложенное глинистым грунтом, имеющим следующие расчетные характеристики: γ I = 1,63·10 4 Н/м 3 ; φ I = 23º; c 1 = 1,2·10 4 Н/м 2 . Удельный вес грунта выше подошвы фундамента γ" I = 1,55·10 4 Н/м 3 . Основание рассчитываем по первому предельному состоянию на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмичности 7 баллов. К основанию фундамента приложены вертикальная нагрузка N a = 296·10 4 Н, горизонтальная нагрузка T = 38·10 4 Н и момент М а = 215·10 4 Н·м.

Решение . По формуле (12.62) определяем эксцентриситет расчетной нагрузки:

м.

Условие (12.67) при этом выполняется (e a < b /3 = 0,93 м), однако есть частичный отрыв подошвы, так как e а > b /6 = 0,47 м, поэтому в соответствии с формулой (12.68) расчет необходимо проводить для условной ширины фундамента

b c = 3(2,8/2 - 0,73) = 2,01 м.

По рис. 12.16 и по формулам (12.60) находим:

F 1 = 8,4; F 2 = 5,4; F 3 = 12,7;

ξ q = 1 + 1,5·2,01/4,4 = 1,69;

ξ c = 1 + 0,3·2,01/4,4 = 1,14;

ξ γ = 1 - 0,25·2,01/4,4 = 0,89.

Ординаты эпюры предельного давления при k eq = 0,1 вычисляем по формулам (12.58) и (12.59):

p b = 1,69 · 8,4 · 1,65 · 10 4 · 1,8 + 1,14(8,4 - 1)1,2 · 10 4 /0,42 = 65,9 · 10 4 Н/м 2 ;

p b = 65,9 · 10 4 + 0,89 · 1,63 · 10 4 · 2,01(5,4 - 0,1 · 12,7) = 77,4 · 10 4 Н/м 2 .

Максимальное напряжение под краем подошвы фундамента по формуле (12.69)

Н/м 2 < p b .

т.е. условие (12.69) выполняется.

Находим по формуле (12.63) эксцентриситет эпюры предельного давления:

м.

При e n < e a предельное сопротивление основания вычисляем по формуле (12.70):

N u.eq = 2,01·477,4·10 4 /2 = 342·10 4 Н.

Принимая γ c.eq = 0,8·1,15 = 0,92 и γ n = 1,15, получаем:

N a = 296·10 4 Н > 0,92·342·10 4 /1,15 = 274·10 4 Н.

Следовательно, устойчивость основания не обеспечена и требуется увеличить размеры фундамента.

Принимаем b = 3 м, оставляя другие размеры фундамента прежними. Тогда

b c = 3(3/2 - 0,73) = 2,31 м;

ξ q = 1 + 1,5 · 2,31/4,4 = 1,79;

ξ c = 1 + 0,3 · 2,31/4,4 = 1,16;

ξ γ = 1 - 0,25 · 2,31/4,4 = 0,87;

p 0 = 1,79 · 8,4 · 1,55 · 10 4 · 1,8 + 1,16(8,4 - 1)1,2 · 10 4 /0,42 = 68,6 · 10 4 Н/м 2 ;

p b = 68,6 · 10 4 + 0,87 · 1,63 · 10 4 · 2,31(5,4 - 0,1 · 12,7) = 81,4 · 10 4 Н/м 2 ;

Н/м 2 < p b ;

м < e a

N u.eq = 2,31 · 4,4 · 81,4 · 10 4 /2 = 414 · 10 4 Н;

N a = 296 · 10 4 Н < 0,92 · 414 · 10 4 /1,15 = 330 · 10 4 Н.

т.е. в этом случае надежность основания достаточна.

Примечание. При изменении ширины подошвы столбчатого фундамента в примере расчета не учтено некоторое возрастание вертикальной нагрузки, так как в данном случае оно относительно мало и не приводит к нарушению условия (12.57) при ширине подошвы 3 м.