книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

где E l — жесткость балки; z — прогиб балки в точке с координатой х; рх — реактивное давление в той же точке.

В дифференциальном уравнении (10.18) имеются две неизвест­ ные функции: одна — уравнение изогнутой оси балки z=f(x), вто­ рая — закон распределения реактивных давлений грунта рх= -fix ), поэтому решение может быть получено лишь при усло­ вии составления второго уравнения, в котором будут связаны меж­ ду собой осадки различных точек балки и реактивное давление грунта.

В зависимости от гипотезы, принятой для установления второго уравнения, различают два основных метода расчета балки, лежащей на упругом основании: метод местных упругих деформаций и метод упругого полупространства. Оба метода базируются на одноимен­ ных моделях грунтового основания, рассмотренных в § 5.2, там же определена и область ихприменения для практических инженерных расчетов.

Уравнение (10.18) содержит жесткость фндамента EI, что требу­ ет предварительного назначения размеров его сечения. Это делают исходя из схемы линейного распределения реактивных усилий, при­ нимая равномерное или трапециевидное распределение давления по подошве. Поясним сказанное на примере.

На рис. 10.21 показана фундаментная балка, загруженная систе­ мой сил, в результате чего по ее подошве действует рактивное давление грунта р„ изменяющееся по какому-то сложному закону. Заменяя криволинейную эпюру распределения реактивных давлений рх линейной трапециевидной, определяем краевые значения давле­ ния рх и рг по формуле внецентренного сжатия (5.7), которая для рассматриваемого случая будет иметь вид

Px.2=N/A±6M0/(bl2),

где N — суммарная вертикальная нагрузка на фундаментную бал­ ку; А — площадь подошвы фундаментной балки; Л/0 — момент всех сил относительно центра тяжести подошвы фундаментной балки.

Определив краевые значения прямолинейной эпюры давлений Рх и рг, загружаем ею рассматриваемую фундаментную балку, как внешней нагрузкой, и по правилам строительной механики строим эпюру изгибающих моментов Мх. Определив максимальное зна­ чение М х, находим необходимый по условию прочности мо­ мент сопротивления балки Wx, а уже по нему подбираем пред­ варительное сечение фундаментной балки и устанавливаем ее жест­ кость EI.

301

Постоянные интегрирования Ch С2, С3 и С4 определяются из начальных условий деформирования, которые зависят от категории гибкости балки. Так, одним из начальных условий деформирования для короткой жесткой балки, загруженной в центре сосредоточен­ ной силой, будет постоянство деформации грунта вдоль всей ее длины (z= const), а в случае длинной гибкой балки при таком же загружении начальным условием деформирования будет отсутствие прогиба на ее концах (z_//2= z+//2=0).

Беря последовательно производные от выражения (10.2), опреде­ ляют необходимые для конструирования фундаментной балки зна­ чения изгибающих моментов Мх и поперечных сил Qx в различных ее сечениях. Если уточненные по известным значениям Мх и Qx раз­ меры сечения балки значительно меняют ее жесткость, то расчет повторяется.

Модель местных упругих деформаций рекомендуется применять для расчета гибких фундаментных балок, работающих в условиях плоской задачи на сильносжимаемых грунтах (Е^ 5 МПа), на лес­ совых просадочных грунтах, а также при малой толще сжимаемого слоя, подстилаемого недеформируемым массивом, например скаль- ■ным. В этих случаях результаты расчета хорошо совпадают с дей­ ствительными. Определенную трудность при расчете представляет правильное назначение коэффициента постели, особенно в тех слу­ чаях, когда свойства грунта изменяются по длине балки.

В настоящее время в связи с широким внедрением в практику проектирования ЭВМ метод местных упругих деформаций продол­ жает развиваться, что позволяет использовать его для решения все более сложных инженерных задач.

Расчет по методу упругого полупространства. Метод упругого полупространства базируется на решениях классической теории уп­ ругости, которые в известных пределах считают приемлемыми и для грунтовых оснований. Согласно этому методу, фундаментная балка принимается лежащей на однородном линейно деформиру­ емом полупространстве, деформационные свойства которого харак­ теризуются модулем деформации Е и коэффициентом Пуассона v. Метод разработан для условий плоской и пространственной задач. По условиям плоской задачи ведется расчет ленточных фундамен­ тов под стены, а по условиям пространственной задачи — под колонны.

В случае плоской задачи за исходное уравнение деформации

яС

ав случае пространственной задачи — уравнение Буссинеска

зоз

где x — координата точки поверхности, в которой определена осад­ ка, м; £ — координата точки приложения силы Р, м; D — постоян­ ная интегрирования; C = £ /(l—v2) — коэффициент жесткости осно­ вания, кПа;Л — расстояние от точки приложения силы Р до точки, в которой определена осадка zx, м.

При определении осадок.поверхности основания от действия равномерно распределенных нагрузок уравнения (10.21) и (10.22) интегрируются по площади загружения.

Решая дифференциальное уравнение изогнутой оси балки (10.18) совместно с одним из уравнений (10.21) или (10.22), находят реак­ тивный отпор грунта по подошве гибкого фундамента, изгибающие моменты и поперечные силы, действующие в его сечениях.

Практические расчеты ведутся чаще всего с использованием готовых таблиц, которые составлены для фундаментных балок различной относительной гибкости, при различном характере и раз­ мещении нагрузок.

Относительная гибкость фундаментной балки, работающей

. в условиях плоской задачи, характеризуется показателем гибкости /, определяемым по формуле (5.1):

tvlOEPKEJi3).

Если фундаментная балка работает в условиях пространствен­ ной задачи, показатель гибкости определяется по формуле

пЁРlb

(10.23)

/ _ 2(1 - v J) £ /

где Е — модуль деформации грунта, кПа; v — коэффициент Пуас­ сона грунта; Et — модуль упругости материала балки, кПа; /, Ь —

полудлина и полуширина фундаментной балки, м; h — высота бал­ ки, м.

При ./< 1 в случае плоской и /^0,5 — пространственной задачи балки рассматриваются как абсолютно жесткие, деформациями изгиба при их расчете пренебрегают. В остальных случаях балки рассчитываются как гибкие.

Наиболее полно расчет фундаментных балок на упругом основа­ нии по гипотезе упругого полупространства по таблицам готовых расчетных величин приведен в монографии М. И. Горбунова-Поса- дова с соавторами (1984).

Длинные ленточные фундаменты под стены, а также полосы, работающие в условиях плоской задачи, можно рассчитать и дру­ гим методом, разработанным Б. Н. Жемочкиным и А. П. Сини-

304

цыным*. Суть этого метода заключается в том, что между, бал­ кой и линейно деформируемым основанием вводятся абсолютно жесткие стержни, через которые балка опирается на основание. Постановкой вертикальных стержней-связей ставится условие, что вертикальные перемещения балки и основания в местах этих стерж­ ней одинаковы. Затем стержни заменяются неизвестными сила­ ми и составляется система канонических уравнений, к которой добавляются два уравнения, вытекающие из условия равновесия. Решение системы уравнений с помощью ЭВМ позволяет определить эпюру реактивных давлений, а затем уже и эпюры изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов (осадок). Этот метод особен­ но удобен для расчета балок, имеющих переменное сечение по длине.

Расчет плитных фундаментов. Сплошные фундаментные плиты под ряды колон или под стены, а также под полы промышленных зданий и т. п. классифицируются как плиты большой протяжен­ ности. Для их расчета из фундамента выделяется полоса единичной ширины, которая рассматривается как гибкая фундаментная балка. Расчет часто ведется по методу упругого слоя ограниченной мощ­ ности**, суть которого заключается в следующем. При больших опорных площадях грунт под фундаментом сжимается в основном без возможности бокового расширения, что не учитывается в мето­ дах упругого полупространства. Чтобы приблизить расчетные усло­ вия к действительным, при больших опорных площадях используют схему, согласно которой основание представляет собой сжимаемый слой, подстилаемый несжимаемым основанием. Это позволяет по­ лучить более достоверные результаты. Трудность метода заключа­ ется в установлении толщины деформируемого слоя.

ГЛАВА 11

СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

11.1. Классификация свай и свайных фундаментов

Основные положения. Классификация свай. В тех случаях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, не обладающих достаточной несущей способностью, чтобы служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения,

*Жемочкин Б. Синицын А. П. Практические методы расчета фундаментных балок я плит на упругом основания без гипотезы Винклера. М., 1962.

**Крашенинникова Г. В. Расчет балок на упругом основании конечной глубины. М. — Л., 1964.

305

По условиям изготовления сваи делятся на две группы: сваи, изгото­ вляемые заранее на заводе или поли­ гоне (предварительно изготовлен­ ные) и затем погружаемые в грунт, и сваи, изготовляемые на месте,

вгрунте.

Взависимости от расположения свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов: одиноч­ ные сваи, свайные кусты, ленточные свайные фундаменты и сплошные

видность одиночных свай, служащих одновременно и фундаментом, и ко­

лонной легкой надземной конструкции, называют сваей-колонной. Сваи-колонны широко применяют при строительстве легких сель­ скохозяйственных сооружений.

Свайным кустом принято называть фундамент, состоящий из группы свай. Число свай в кусте может быть различным, обычно не менее трех, хотя в отдельных случаях допускается устройство ку­ стов и из двух свай. Свайные кусты устраивают под колонны сооружений и опоры, передающие значительные вертикальные на­ грузки.

Если сваи в фундаменте расположены в один или несколько рядов, то такой фундамент называют ленточным свайным фун­ даментом. Ленточные свайные фундаменты устраивают под стены зданий и другие протяженные конструкции.

Если фундамент состоит из свай, расположенных в определен­ ном порядке под всем сооружением, его называют сплошным свайным полем. Сплошные свайные поля устраивают под тяже­ лые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане.

Конструкции предварительно изготовленных сван. Сваи, погружа­ емые в грунт в готовом виде, в зависимости от материала, из которого они изготовляются, подразделяются на железобетонные, деревянные, стальные и комбинированные.

Ж елезобетонны е сваи, получившие наибольшее распростра­ нение в практике строительства, подразделяют:

307

по форме поперечного сечения — на квадратные, квадратные с круглой полостью, полые круглого сечения, прямоугольные, швел­ лерные и двутавровые (рис. 11.4);

по форме продольного сечения — на призматические, цилинд­ рические, с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапе­ цеидальные, ромбовидные), сваи с уширенной пятой (рис. 11.5);

по способу армирования — на сваи с ненапрягаемой и пред­ варительно напряженной продольной арматурой, с поперечным армированием и без него;

по конструктивным особенностям — на сваи цельные и состав­ ные.

Наиболее часто в настоящее время применяют призматические сваи сплошного квадратного сечения, квадратного сечения с круг­ лой полостью н полые цилиндрические (рис. 11.6).

Сваи сплошного квадратного сечения выпускают сечением от 0,2 ж 0,2 до 0,4 х 0,4 м и длиной 3...16 м с ненапрягаемой арматурой, 3...20 м — с напрягаемой. При необходимости увеличения длины свай их стыкуют из нескольких звеньев, применяя стыковочные соединения различного типа (болтовые, сварные, клеевые и т. д.). В практике известны случаи применения составных свай длиной до 100 м.

Сваи сплошного квадратного сечения применяют в любых сжи­ маемых грунтах без твердых включений для передачи на основания вдавливающих, выдергивающих и горизонтальных нагрузок.

Сваи квадратного сечения с круглой полостью выпускают сече­ нием от 0,25x0,25 до 0,4 х 0,4 м и длиной 3...8 м. Использование таких свай позволяет снизить расход цемента на 15...25%, армату­ ры — на 40...60%, но область их применения ограничена вдавлива­ ющими нагрузками до 500 кН и горизонтальными до 15 кН.

308

(I

Полые круглые сваи в зависимости от диаметра ствола подраз­ деляют на два вида: диаметром 0,4...0,8 м — полые круглые сваи, диаметром более 0,8 м — сваи-оболочки. Полые круглые сваи изго­ товляют цельными (из одного звена) или составными .(из несколь­ ких звеньев), соединяемыми болтами или сваркой. Длина одного звена 4...8 м, длина составной сваи до 40 м. Сваи диаметром до 0,6 м выпускают с закрытым нижним концом.

Полые круглые сваи рекомендуется применять в слабых грунтах мощностью более 12 м и при передаче на сваю больших (более 100 кН) горизонтальных нагрузок.

Промышленностью выпускаются также сваи прямоугольного сплошного сечения размером 25 х 35 см длиной до 12 м, область применения которых такая же, как и свай сплошного квадратного

Типовые конструкции свай швеллерного и двутаврового сечений не разработаны. Изготовление этих свай производится по инди­ видуальным рабочим проектам, и применение их на практике ограничено.

В последнее время все большее распространение находят пира­ мидальные сваи. Они изготовляются ненапрягаемыми с попереч­ ным армированием ствола и с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования, с углом наклона боковых граней от 1 до 13°. Пирамидальные и трапецеидальные сваи, позволяющие за счет наклона боковых граней полнее использовать несущую способ­ ность грунта, рекомендуется применять только как висячие при передаче на них преимущественно вертикальных вдавливающих нагрузок.

Значительно реже применяют ромбовидные сваи и сваи с уши­ ренной пятой (булавовидные). Ромбовидные сваи используют

309

ных пород (сосны, лиственницы, пихты, ели). Готовые сваи имеют диаметр от 18 до 40 см, наибольшую длину — 8,5 м. Если надо получить сваю большей длины, бревна стыкуют между собой. Наибольшая длина составных деревянных свай 25 м. При необ­ ходимости увеличить поперечное сечение сваи применяют пакетные сваи, которые собираются из притесанных друг к другу и сболчен­ ных трех или четырех бревен или брусьев. Деревянные сваи следует пропитывать специальными составами для предохранения их от загнивания в зоне переменного увлажнения

Преимуществом деревянных свай являются простота изготовле­ ния и небольшой вес, что облегчает их погружение в грунт. Недо­ статками — небольшая несущая способность, трудность погруже­ ния в плотные грунты и опасность загнивания древесины в условиях

310