Основные методы определения осадок фундаментов: достоинства и недостатки

     Курсовая  работа

     «Основные методы определения осадок

     фундаментов: достоинства и  недостатки» 
 

     Содержание 

 

     1. Необходимость определения перемещений фундаментов сооружения. 

     Для расчета оснований по второй группе предельных состояний необходимо уметь определять перемещения фундаментов, возникающие в результате деформаций оснований и знать величины предельно допустимых перемещений фундаментов, при которых еще не нарушается нормальная эксплуатация сооружения в целом или отдельных его частей.

     Перемещения фундаментов определяют методами механики грунтов, которые являются в достаточной степени общими и пригодными для фундаментов различных сооружений. Величины же предельно допустимых перемещений и деформаций фундаментов зависят от вида сооружения и условий его работы. Для сооружений различных типов они будут различными.

     

     При действии нагрузок в плоскости симметрии жесткого, отдельно стоящего фундамента, его перемещения вследствие деформаций основания можно охарактеризовать тремя компонентами (рис. 2.1): вертикальным перемещением центра подошвы фундамента (осадкой) S, горизонтальным смещением u и углом поворота (креном) ω. В случае однородного основания осадка S зависит только от величины вертикальной центрально приложенной нагрузки Р. Угол поворота фундамента ω и горизонтальное смещение u зависят и от величины действующего момента М и от величины горизонтальной нагрузки Т.

     Если сооружение передает нагрузку на несколько отдельных фундаментов, то для оценки влияния деформаций основания на прочность сооружения и его эксплуатационную пригодность необходимо определить не только осадки каждого фундамента, но и разность осадок фундаментов. Для гибких фундаментных конструкций (например, фундаментных балок и плит), важно также знать разности осадок отдельных точек подошвы фундамента.

     Деформированное состояние гибких фундаментов оценивают не только по величинам осадок и их разностей, но и по такой характеристике, как относительный прогиб, представляющий собой отношению стрелы прогиба к длине фундамента.

     

     При проектировании фундаментов опор мостов нужно определять как абсолютные осадки фундаментов, так и разности осадок смежных фундаментов. Одинаковые, равномерные осадки всех опор моста не влияют на прочность пролетных строений и не вызывают разрушения проезжей части в пределах моста. Большие же равномерные осадки могут нарушить проезжую часть в местах сопряжения моста с земляным полотном дороги и уменьшить подмостовой габарит. Поэтому ограничения накладывают не только на разность осадок, но и на величину абсолютной осадки.

     Разность осадок смежных фундаментов опор мостов статически определимых систем также не снижает прочности пролетных строений, но может принести к недопустимым переломам профиля проезжей части моста и вызвать увеличение динамических воздействий на мост подвижных средств.

     Разность осадок фундаментов опор мостов внешние статически неопределимых систем оказывает большое влияние на распределение усилий в элементах пролетных строений. Если эта разность не была учтена при расчете пролетных строений или учтена не правильно, то ввиду изменения напряженного состояния пролетные строения могут получить серьезные повреждения и стать непригодными к дальнейшей эксплуатации. Перемещения фундаментов таких мостов следует определять с учетом совместной работы оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций и возникающего при этом перераспределения нагрузок на фундаменты.

     Для опор мостов ограничивают также горизонтальные смещения их верха u_в и углы поворота ω_в в уровне расположения опорных частей пролетных строений. Величину u_в определяют по формуле

     

 (2.1)

     где h₀— расстояние от подошвы фундамента до верха опоры (рис. 2.1), а при свайных и столбчатых фундаментах —расстояние от подошвы плиты ростверка до верха опоры (рис. 2.2).

     К значению u_в, определенному по выражению (2.1), прибавляют составляющую смещения за счет собственных деформаций опоры.

     Значение ω_в определяют тоже путем суммирования ω с составляющей угла поворота, обусловленной собственными деформациями опоры.

     Перемещения верха опор вдоль моста могут нарушить нормальную работу опорных частей и деформационных устройств. Смещения опор в поперечном направлении приводят к деформациям проезжей части моста в плане и искажению его оси.

     Предельные значения перемещений опор нужно устанавливать с учетом конструкции опор, пролетных строений, опорных частей, деформационных швов и других устройств. Перемещения опор должны ограничиваться допустимыми значениями углов перелома продольного профиля проезда.

     Предельные перемещения опор не должны превышать значений, см, определяемых по следующим эмпирическим формулам, рекомендованным действующими нормами проектирования мостов:

     величины предельной равномерной осадки опоры

                                                             (2.2)

     разности осадок смежных опор

                                                             (2.3)

       горизонтального смещения верха опоры как вдоль, так и поперек оси моста

                                                            (2.4)

     где l —длина меньшего примыкающего к опоре пролета, м принимаемая не меньше 25 м.

     2. Факторы, обусловливающие деформативность грунтов.

     Для определения величины осадки сооружений необходимо:

     1) установить зависимость между величинами напряжений и деформаций, возникающих в грунте от действия внешней нагрузки;

     2) определить закон распределения напряжений в полупространстве и величину напряжений в любой его точке;

     3) определить глубину активной зоны, на которую распространяется деформация основания от внешних нагрузок;

     4) иметь данные о физико-механических свойствах грунтов;

     5) знать конструкцию фундаментов.

     Зависимость между напряжениями и деформациями принимается по теории линейно-деформируемой среды (закон Гука), т. е.

     

      Графически это выражение изображается прямой линией, проходящей через начало координат и  наклоненной под некоторым углом к оси абсцисс. Тангенс угла наклона представляет собой модуль сжатия Е₀.

     При использовании линейной зависимости между напряжениями и деформациями принимается, что деформативные характеристики (модуль сжатия, коэффициент бокового давления) не зависят от давления и остаются постоянными в процессе сжатия.

     Испытание грунтов на сжатие часто показывает нелинейный характер деформаций. Для некоторых грунтов при нелинейной зависимости напряжений и деформаций можно пользоваться законом Баха

     

     где n – опытный параметр, зависящий от свойств грунта (например,  для гранита n=1,13).

     Для определения осадки сооружений существует три вида формул, полученных на основе:

     а) произвольных упрощающих предпосылок в отношении распределения в грунте вертикальных напряжений;

     б) теории линейно-деформируемой среды с учетом максимальных осевых вертикальных напряжений;

     в) теории линейно-деформируемой среды с учетом всех трех компонентов нормальных напряжений.

     

     Рис. Эпюры бытовых и дополнительных давлений для определения нижней границы активной зоны

     При расчете осадки сооружений весьма важным фактором является глубина сжимаемой активной зоны грунта под сооружением.

     Глубину сжимаемой толщи можно определить по СНиПу, методами В. М. Веселовского, Н. А.Цытовича, В. А. Флорина и X. Р. Хакимова.

     Согласно СНиПу за мощность сжимаемой толщи грунта под фундаментом принимается глубина, ниже которой вертикальные нормальные напряжения от веса сооружения составляют не более 20% от вертикальных напряжений, вызываемых собственным весом грунта, т. е.

     

     Согласно данным проф. Н. А. Цытовича глубину активной зоны можно рассматривать как двойную величину эквивалентного слоя грунта, т. е.

     

     где                                                           

           

     ω — коэффициент, зависящий от формы подошвы и жесткости фундамента; b — ширина подошвы фундамента.

     

     Рис. Графики влияния площади на величину осадки

     Следует отметить, что точного определения глубины активной зоны грунта h_акт в механике грунтов до настоящего времени не существует.

     Большое влияние на осадку сооружений оказывает величина и конфигурация площади нагрузки и жесткость конструкции фундамента.

     На рисунке представлены графики влияния площади подошвы фундамента на величину осадки сооружений при равной интенсивности загружения этой площади. Из графиков видно, что при малых площадях имеет место уменьшение осадки с увеличением площади; при средних площадях (с диаметром штампа 30—45 см) наблюдается прямая пропорциональность величины осадки корню квадратному из площади штампа.

     

     График зависимости осадки от площади штампа в лёссовых грунтах

     На лёссовых суглинках осадка сооружения также пропорциональна корню квадратному из площади F, т. е.

     

     где К — коэффициент  пропорциональности, постоянный для данного грунта.

     Эта пропорциональность может иметь место для штампов площадью примерно до 50 м².

 

     3. О методах определения осадок.

     Перемещения фундаментов, обусловленные деформациями грунтов основания, определяют исходя из линейной зависимости между деформациями и напряжениями в грунте. Теоретические разработки, учитывающие нелинейный характер этой зависимости, еще недостаточно подтверждены опытными данными и не используются на практике.

     Положение о линейной деформируемости грунтов позволяет применить к ним решения о распределении напряжений и деформаций, полученные теорией линейно-деформируемого полупространства. В связи с этим для определения пределов применимости решений линейно-деформируемой среды важно знать значение того наибольшего нормального давления на грунт, до которого зависимость между деформациями грунта и напряжениями можно считать практически линейной. Значение этого давления принято называть пределом пропорциональности грунта основания.

     В механике грунтов исходят из положения о том, что линейная зависимость между осадками фундамента и напряжениями под его подошвой нарушается при развитии в грунте зон предельного равновесия. Поэтому пределом пропорциональности считают то давление, которое соответствует начальной стадии развитая областей сдвигов.

     Предел пропорциональности определяют по преобразованной формуле