§ 34. Общие положения расчета оснований и фундаментов по предельным состояниям
Общие сведения. Основания и фундаменты надлежит проектировать так, чтобы была надежно обеспечена возможность нормальной эксплуатации сооружений. Для этого они должны быть прочными и устойчивыми, т. е. обладать достаточной несущей способностью. Если это условие не выполнено, то несущая способность основания и фундамента может оказаться исчерпанной, в результате чего расположенное на них сооружение будет разрушено или деформировано в такой степени, что нормальная эксплуатация сооружения будет невозможна или значительно затруднена. Различают пять форм исчерпания несущей способности оснований и фундаментов:
1) исчерпание прочности фундамента (прочности материала фундамента), приводящее к его разрушению;
2) исчерпание устойчивости фундамента, приводящее к его опрокидыванию;
3) исчерпание устойчивости фундамента, вызывающее его сдвиг;
4) исчерпание прочности основания, приводящее к большим просадкам;
5) исчерпание устойчивости основания, сопровождающееся сдвигом массы грунта совместно с фундаментом по некоторой поверхности скольжения — глубокий сдвиг.
Наиболее характерные схемы потери устойчивости фундаментов: опрокидывание с поворотом; плоский сдвиг; глубокий сдвиг.
Расчеты, выполняемые с целью не допустить исчерпания несущей способности оснований и фундаментов, называют расчетами их на прочность и устойчивость.
Основания и фундаменты могут обладать достаточной несущей способностью, но под воздействием нагрузок получать значительные перемещения, недопустимые по условиям нормальной эксплуатации сооружений. Расчеты оснований и фундаментов, имеющие целью не допустить таких перемещений, называются расчетами по деформациям.
Железобетонные конструкции фундаментов рассчитывают также на трещиностойкость. Такие расчеты должны исключить возможность чрезмерного раскрытия трещин, при котором возникает опасность коррозии (ржавления) арматуры. На трещиностойкость фундаменты рассчитывают обычными методами расчета железобетонных конструкций, которые в настоящем курсе не рассматриваются.
Расчеты оснований и фундаментов на прочность, устойчивость по деформациям и на трещиностойкость, как и других строительных конструкций, выполняют по методу предельных состояний. Под предельным состоянием подразумевается такое напряженное состояние конструкций или оснований, когда при самом незначительном увеличении нагрузок они перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям: наступает их разрушение, возникают недопустимые деформации, происходит потеря устойчивости и т. п.
Основания и фундаменты мостов и труб под насыпями рассчитывают по двум группам предельных состояний:
по первой группе — по несущей способности оснований, устойчивости фундаментов против опрокидывания и сдвига, устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов, прочности и устойчивости конструкций фундаментов;
по второй группе — по деформациям оснований и фундаментов (осадкам, кренам, горизонтальным перемещениям), трещиностойкости железобетонных конструкций фундаментов.
Расчет по первой группе предельных состояний выполняют с целью не допустить исчерпания несущей способности и устойчивости оснований и фундаментов. Расчет производят исходя из условия
F≤Fu, (6.1)
где F — силовое воздействие (нагрузка) на основание или на фундамент; Fu — несущая способность (сила предельного сопротивления) основания или фундамента.
Цель расчета по второй группе предельных состояний — исключить возможность возникновения недопустимых по условиям нормальной эксплуатации сооружения деформаций (осадок, кренов, сдвигов) оснований и фундаментов. Расчет производят, исходя из соблюдения условия s< su, (6.2)
где s — совместная деформация основания и фундамента, определяемая расчетом; su —соответствующее предельно допустимое значение деформации.
При расчетах оснований и фундаментов необходимо иметь в виду, что по характеру действия на фундамент нагрузки подразделяют на постоянные и временные, которые могут действовать только в вертикальном направлении или же в горизонтальном и вертикальном направлениях одновременно. Последний случай является наиболее характерным для фундаментов мостов. К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции, грунта и воды, а также горизонтальное давление грунта и воды. Остальные нагрузки относят к временным.
При проектировании фундаментов следует учитывать, что длительно действующие постоянные нагрузки оказывают решающее влияние на рост остаточной равномерной или неравномерной осадки оснований. Временные нагрузки, действующие на сооружение лишь в течение короткого промежутка времени, почти не оказывают влияния на увеличение остаточных деформаций. Это объясняется тем, что уплотнение фундаментом большой массы грунта представляет собой не кратковременное явление, а длительный, сложный, зависящий от многих факторов процесс. Кроме фактора продолжительности действия нагрузки на степень уплотнения грунтов оказывает большое влияние удельное давление, с увеличением которого возрастает осадка основания.
Основными характеристиками нагрузок и воздействий являются Их нормативные значения, принимаемые для постоянных нагрузок по проектным значениям геометрических параметров конструкций и по средним значениям плотности материалов; для временных (подвижных и монтажных) нагрузок по ожидаемым наибольшим значениям для предусмотренных условий эксплуатации сооружений или производства работ по их возведению.
Поскольку теоретические методы расчета совместной работы фундаментов и оснований пока еще недостаточно разработаны, при проектировании по предельным состояниям принимают систему расчетных коэффициентов, гарантирующих необходимую надежность проектных решений. Эти коэффициенты, именуемые коэффициентами надежности, позволяют раздельно учесть возможные отклонения в значениях действующих нагрузок, особенностях работы сооружений, в физико-механических свойствах материалов и грунтов.
Коэффициент надежности по нагрузке γf учитывает возможные отклонения в неблагоприятную сторону (большую или меньшую) значений нагрузок в процессе эксплуатации от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации. Расчетные нагрузки и воздействия получают умножением их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке.
Уменьшение вероятности одновременного превышения несколькими нагрузками их расчетных значений по сравнению с вероятностью превышения одной нагрузкой ее расчетного значения учитывают коэффициентом сочетаний.
Основными параметрами сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления, устанавливаемые нормами проектирования строительных конструкций с учетом случайной изменчивости механических свойств материалов.
Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований фундаментов и их деформации, являются нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов (угла внутреннего трения, удельного сцепления, модуля деформации, сопротивлений одноосному сжатию и сдвигу скальных и мерзлых грунтов и т. д.).