Практический метод расчета вертикально армированного основания ленточных и отдельно стоящих фундаментов транспортных сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.131

КАРАУЛОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, karaulov@stu.ru

Сибирский государственный университет путей сообщения, 630023, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

ПРАКТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНО АРМИРОВАННОГО ОСНОВАНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ И ОТДЕЛЬНО СТОЯЩИХ ФУНДАМЕНТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Изложен практический метод расчета вертикально армированного основания ленточных и отдельно стоящих фундаментов мелкого заложения, в том числе и транспортных сооружений. Приведены формулы для вычисления максимальных усилий в армо-элементах и максимально возможной осадки грунта в пределах длины армоэлементов.

Ключевые слова: вертикальное армирование; основание; фундаменты.

KARAULOV, ALEXANDER MIKHAILOVICH, Dr. of tech. sc, prof:,

karaulov@stu. ru,

Siberian Transport University,

191 D. Kovalchuk, st., Novosibirsk, 630023, Russia

PRACTICAL METHOD FOR CALCULATION OF VERTICAL REINFORCED BEDS OF STRIP FOUNDATIONS OF ISOLATED TRANSPORT FACILITIES

The practical method for calculating the vertically reinforced beds of strip and isolated shallow foundations, including transportation facilities is described in the article. The formulas for calculating the maximum effort in reinforcing members and a maximum possible setting of soil within the length of reinforcing member are given.

Keywords: vertical reinforcement; beds; foundations.

Метод вертикального армирования грунтовых оснований появился сравнительно недавно. Вертикальные армоэлементы не имеют непосредственного контакта с подошвой фундаментной плиты или подошвой плиты ростверка, и это является характерной особенностью метода вертикального армирования,

© А.М. Караулов, 2012

отличающей его от конструкции свайного фундамента с низким ростверком. Вертикальное армирование может применяться как при новом строительстве, так и при усилении оснований существующих сооружений [1-3].

На рис. 1, 2 показаны схемы вертикального армирования оснований ленточного и отдельно стоящего фундаментов мелкого заложения (типы армированного поля).

Фундамент

Рис. 1. Армированное основание ленточного фундамента мелкого заложения

уШ . - V 1 ! Г Фундамент / \ - V Г

/// /// /// 1 ////'—/// /м/ да 77-777~

чРЬ / \

чИЬ | ■ \ 1 1 / . ■ . 1

ъРЬ \ \ ^\Грунтовая;// подушка \ Армоэлементы ^ / / /

Рис. 2. Армированное основание отдельно стоящего фундамента мелкого заложения

Взаимодействие армоэлемента с грунтом выражается в нормальных напряжениях, действующих по его торцам, и в касательных напряжениях, развивающихся по боковой поверхности. Сжимаемость армоэлемента значительно меньше сжимаемости грунта, а прочность, напротив, значительно выше. Рассматривая постепенное увеличение внешней нагрузки, можно выделить следующие стадии работы системы армоэлемент - грунт.

При небольших нагрузках имеет место допредельная стадия работы армоэлемента в грунте. Прежде всего это относится к касательным напряжениям, которые еще не достигли предельной силы трения тпр. Соответственно, отсутствует явление проскальзывания грунта по боковой поверхности армо-элемента. В этой стадии работа армоэлемента напоминает работу железобетона. По мере увеличения нагрузки и взаимного смещения грунта и армоэле-мента в контактной зоне касательные напряжения увеличиваются и на некотором этапе достигают предельной величины тпр. Зоны проскальзывания при т = тпр зарождаются у торцов армоэлемента и постепенно распространяются по его длине. Одновременно увеличиваются и нормальные давления по торцам армоэлемента. Эти напряжения ограничены сверху величиной предельного давления. Предельное давление определяется несущей способностью грунтовой среды с горизонтальной поверхностью, пригруженной вертикальным давлением. В качестве пригрузки выступает давление в грунте в уровне верха армоэлемента и в нижней части. Соответственно, у торцов армоэлемента развиваются области предельного равновесия грунта. Предельной стадией работы армоэлемента можно считать состояние, при котором у его торцов начинают действовать предельные давления.

Предельная стадия работы армоэлемента имеет место в некотором диапазоне значений внешней нагрузки. При увеличении нагрузки в этой стадии продолжается распространение зон действия предельных касательных напряжений по длине армоэлемента. Верхней границей внешней нагрузки для предельной стадии будем считать нагрузку, которой отвечает максимальное развитие зон действия предельных касательных напряжений. Можно сказать, что в этой стадии достигается максимальный эффект от использования вертикального элемента как арматуры. Дальнейшее увеличение нагрузки будет сопровождаться снижением эффекта армирования, поскольку по боковой поверхности вертикальных элементов имеет место пластическое течение (проскальзывание) грунта. Эту стадию можно назвать пассивной стадией работы армоэлемента.

В силовом отношении армоэлементы через контактную поверхность с грунтом воспринимают нагрузку своей верхней частью и передают ее на нижележащие слои грунта своей нижней частью. В соответствии с расчетной схемой работы армоэлемента в грунте обозначим: р - среднее давление по подошве фундамента (ХХ); рк - среднее давление в уровне нижнего конца армоэлементов (РХ); ра0 - давление грунта на верхний торец армоэлемента; рА - давление нижнего торца армоэлемента на грунт; т - контактные касательные напряжения в пределах длины армоэлементов к . Работа армоэлемен-та в грунте обеспечивается его боковым обжатием в основании за счет давления, передающегося через подошву фундамента на грунт.

Для расчета вертикально армированных оснований отдельно стоящих и ленточных фундаментов применяется расчетная схема армированного поля ограниченных размеров в плане. В этом случае дополнительное давление в уровне нижнего конца армоэлементов распределяется по площади условно массивного фундамента (рис. 3): рк < р.

Рис. 3. Расчетная схема армированного поля ограниченных размеров:

ф' - средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов, залегающих в пределах длины армоэлементов к

Величина давления в уровне нижнего конца армоэлементов устанавливается в зависимости от типа армированного поля по формуле

Рк = кеР . (1)

Тип армированного поля и коэффициент кс устанавливаются в соответствии с планом армированного поля (рис. 4) с общими размерами В х Ь (В < Ь). Армоэлементы расположены по регулярной сетке. Расстояние между армоэлементами в направлении меньшей стороны равны ах (количество армоэлементов - к), большей стороны - а2 (количество армоэлементов - к2).

Вычисляется классификационный показатель к0:

к0 = а1а2 (к1 - 1)( к2 - 1)х 1

аа2 (к - 1)(к2 -1) + ^ ф-

а (к -1)+а2 (к2-1)+3 к1§ фф

(2)

Если к0 < 0,8, то принимается схема армированного основания отдельно стоящего фундамента и значение кс = к0.

х

а1

В

Рис. 4. План армированного поля

Если к0 > 0,8, то вычисляется классификационный показатель kл :

К =■

а (к -1)

а (( -1) + 418 "4"

(3)

Если кл < 0,8, то принимается схема армированного основания ленточного фундамента и значение = кл.

При значениях к0 > 0,8 и кл > 0,8 принимается схема армированного основания плитного фундамента.

Основы расчета вертикально армированных оснований были сформулированы В.Г. Федоровским [4]. Практический метод расчета вертикального армированного основания плитного фундамента изложен в работе [5].

Для ленточного или отдельно стоящего фундамента мелкого заложения выделяется отдельная ячейка армированного поля, включающая в себя один ар-моэлемент и окружающий его условно цилиндрический объем грунта (рис. 5).

В уровне УИЬ действует давление от внешней нагрузки р, в уровне

УРЬ действует дополнительное давление рк.

Снижение давления от величины р до величины рк обеспечивается введением в расчетную схему условных касательных напряжений т , действующих в вертикальном направлении и распределенных по боковой цилиндрической поверхности расчетной ячейки.

Условно цилиндрический объем окружающего армоэлемент грунта

Рис. 5. Расчетная ячейка

Основными расчетными величинами являются максимальное усилие в армоэлементе Nmax в наиболее нагруженном его сечении 2т и максимально возможная осадка грунта в пределах армоэлемента £шах. Выражения для Nmax и $шах приведем для случая максимального развития зон проскальзывания грунта по армоэлементу.

Положение наиболее нагруженного сечения армоэлемента 2 = 2т в этом случае дается выражением

1 Пу -п2 +^/(1 -п2)2 + Щщ а 2т2 А

_ у С + т _ _

Здесь пу = -----; т1=о0 - п1;

а % ф

с + т,

У .

У

а % 18 ф

= К + Ук + п2 )

(Р - Рк ) а1а2

т = ----- условное касательное напряжение, учитывающее распреде-

ык

лительную способность основания; С = с + %у0к 18 ф - условное сцепление; % -

коэффициент бокового давления в грунте; у, с, ф - удельный вес, удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта в пределах длины армоэлемента; u , A - периметр поперечного сечения армоэлемента и площадь грунта в поперечном сечении ячейки.

Величины p и ph определяются формулами: ph = клp - для основания ленточного фундамента; ph = к0p - для основания отдельно стоящего фундамента. Напряжение amm определяется выражением

CTmin = -YZm + « + . (5)

Напряжение в грунте в уровне верха армоэлементов <з0 дается выражением:

P + YoZo(A + A) -(CoNco - YorN'o')A

N 0 A + A

q o a

■Y o zo. (6)

Напряжение в грунте в уровне конца армоэлементов ah определяется формулой

Ao h

(ph + Yoh1 )) + (( A + YA)) + lhraN2 - ChNh

1--Yo hi -Yh . (7)

A

A+Nqh

Здесь Д = А + Аа, га и Аа - радиус и площадь поперечного сечения армоэлемента; у0, с 0, ф0 - удельный вес, удельное сцепление и угол внутреннего трения грунта в уровне верха армоэлемента; ук, ск, фк - то же в уровне низа армоэлемента; Ж-0, Мс0 - коэффициенты несущей способности для

грунта в уровне верха армоэлемента, , , Ыск - то же для грунта в

уровне низа армоэлемента.

Коэффициенты несущей способности принимаются по нормам [9] в зависимости от углов внутреннего трения ф0 и фк .

Максимальное сжимающее усилие в армоэлементе ^тах определяется формулой

^тах, = Р + Аа [Уа (- ) + Ус] - А°тт - Т- ^ (8)

Максимальная осадка основания в пределах длины армоэлемента Smax определяется формулой

s =1

Yh _ Щ I

V+«i(

V п \

-1)

+«2(h-z™) + ™ (ea -eaz")

a

m, a

(9)

=

где E - модуль деформации грунта в пределах длины армоэлемента.

Полная осадка основания 5 будет включать в себя осадку первого слоя (грунтовой подушки) s1, осадку в пределах длины армоэлемента Smax и осадку грунтов, расположенных под нижними концами армоэлементов (подстилающий слой) S2 , ( 5 = s1 + Smax + s2 ) .

Осадка s1 определяется сжатием первого слоя грунта в компрессионных условиях. Осадку s2 можно найти с использованием схемы условного массивного фундамента [6, 7] или руководствуясь более совершенной методикой, разработанной А. А. Бартоломеем и его учениками [8].

Вертикальное армирование может применяться для оснований фундаментов широких путепроводов с многополосным движением, а также для фундаментов опор мостов, в основании которых залегают прослойки слабых грунтов.

Библиографический список

1. Нормативные документы на проектирование и устройство оснований, фундаментов и подземных сооружений для Москвы, разработанные НИИОСП / В.А. Ильичев, В.П. Петрухин, В.В. Михеев [и др.] // 70 лет НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Тр. института. - М., 2001. - С. 3-21.

2. Коновалов, П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий / П.А. Коновалов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М. : ВНИИНТПИ, 2000. - 318 с.

3. Полищук, А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий / А.И. Полищук. - Нортхэмптон; Томск : STT, 2004. - 476 с.

4. Федоровский, В.Г. Метод расчета свайных полей и других вертикально армированных грунтовых массивов / В.Г. Федоровский, С.Г. Безволев // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1994. - № 3. - С. 11-15.

5. Караулов, А.М. Несущая способность оснований осесимметричных фундаментов / А.М. Караулов. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2002. - 104 с.

6. Силин, К.С. Проектирование фундаментов глубокого заложения / К.С. Силин, Н.М. Глотов, К.С. Завриев. - М. : Транспорт, 1981. - 252 с.

7. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. - М., 2011. - 90 с.

8. Бартоломей, А.А. Прогноз осадок свайных фундаментов / А.А. Бартоломей, И.М. Омельчак, Б.С. Юшков. - М : Стройиздат, 1994. - 382 с.

9. СНиП 2.02.01-83 . Основания зданий и сооружений. - М., 2011. - 166 с.