Руководство по проектированию конструкций панельных жилых зданий для особых грунтовых условий

РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОНСТРУКЦИЙ ПАНЕЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ДЛЯ ОСОБЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ

Рекомендовано к изданию решением НТС НИИСК Госстроя СССР.

Разработано к «Инструкции по проектированию конструкций панельных жилых зданий» и распространяется на проектирование конструкций бескаркасных жилых зданий для строительства в особых грунтовых условиях: на неоднородных, просадочных, вечномерзлых грунтах и на подрабатываемых территориях.

Даны рекомендации по выбору расчетной схемы деформируемого основания и рассчитываемого здания, по определению нагрузок на конструкции зданий и их расчету, а также по конструктивным решениям зданий.

Для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Руководство содержит рекомендации по проектированию конструкций панельных жилых зданий для строительства на неоднородных, просадочных, вечномерзлых грунтах и на подрабатываемых территориях.

В Руководстве приведены требования «Инструкции по проектированию конструкций панельных жилых зданий», относящиеся к проектированию зданий в особых грунтовых условиях, а также положения, детализирующие эти требования, и дополнительные рекомендации по расчету и проектированию. Многие положения Руководства сопровождаются примерами расчета, охватывающими наиболее типичные случаи, встречающиеся в практике проектирования.

Руководство составлено НИИСК Госстроя СССР (д-р техн. наук С.Н. КЛЕПИКОВ - гл. 1, 2, 4, 5; кандидаты техн. наук А.И. КИСИЛЬ - гл. 2, 3, 5, 7, Н.С. МЕТЕЛЮК - гл. 1, А.С. ВАЙНБЕРГ - гл. 4, В.И. КРЕТОВ - гл. 3; инженеры А.И. МАРКОВ - гл. 5, В.В. ВАСИЛЬЕВА - гл. 5, В.В. ДАНИЛОВ - гл. 7); совместно с институтами: КиевЗНИИЭП Госгражданстроя (кандидаты техн. наук Б.П. ХАКАЛО - гл. 7, 8, В.Б. ШЕВЕЛЕВ - гл. 7, 8, В.С. ВОЛГА - гл. 7, 8, Г.А. ЧЕРВИНСКИЙ - гл. 7; гл. инж. Л.А. ПУНТУС - гл. 8); ДонпромстройНИИпроект Госстроя СССР (кандидаты техн. наук Г.В. АФАНАСЬЕВ - гл. 7, А.А. ПЕТРАКОВ - гл. 7, Д.А. МИЛЮКОВ - гл. 7; инженеры В.Х. БАТРАК - гл. 4, 7, К.П. ХОЛОПЧЕНКО - гл. 7); ЛенЗНИИЭП Госгражданстроя (д-р техн. наук В.В. ДОКУЧАЕВ - гл. 2, 7; кандидаты техн. наук Л.И. НЕЙМАРК - гл. 2, 3, 6, 7, 8, Д.Р. ШЕЙНКМАН - гл. 2, 7; инженеры Н.Л. КОКОРИНА - гл. 2, 3, 6, А.М. ОБРУЧНИКОВА - гл. 6, 7); ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР (канд. техн. наук Б.А. КОСИЦЫН - гл. 4, 5); НИИОСП им. Герсеванова Госстроя СССР (д-р техн. наук В.И. КРУТОВ - гл. 2); ВНИМИ Минуглепрома СССР (канд. техн. наук Р.А. МУЛЛЕР - гл. 2, 4, 8; инж. Н.Л. СТЕПАНОВ - гл. 2); ЦНИИЭП жилища Госгражданстроя (канд. техн. наук В.И. ЛИШАК - гл. 2, 4, 8, инженеры В.Д. АГРАНОВСКИЙ - гл. 2, 4, 8, Д.Д. СЕРГЕЕВ - гл. 7) и Укргипропромсельстрой Госкомсельхозтехники СССР (инж. Я.В. ЮРИК - табл. 2.1 и 2.2).

Руководство разработано под общей редакцией д-ра техн. наук С.Н. КЛЕПИКОВА и канд. техн. наук А.И. КИСИЛЬ.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящее Руководство составлено к «Инструкции по проектированию конструкций панельных жилых зданий» и применяется при проектировании конструкций бескаркасных жилых зданий высотой не более 12 этажей для строительства в особых грунтовых условиях — на просадочных, вечномерзлых грунтах и на подрабатываемых территориях.

В Руководстве рассматриваются также вопросы проектирования зданий в обычных грунтовых условиях с учетом неравномерной сжимаемости грунтов (неоднородные грунты).

Рекомендации настоящего Руководства допускается учитывать при проектировании зданий для строительства и в других видах грунтовых условий, характеризующихся постепенным развитием неравномерных вертикальных и горизонтальных деформаций основания.

1.2. Конструкции панельных зданий для строительства в особых грунтовых условиях должны рассчитываться на воздействия неравномерных деформаций основания с учетом специфических особенностей отдельных видов особых грунтовых условий.

Расчет конструкций панельных зданий на воздействия неравномерных деформаций основания является расчетом на одну из расчетных комбинаций нагрузок согласно указаниям Инструкции по проектированию конструкций панельных жилых зданий.

1.3. При расчете конструкций зданий на воздействия неравномерных деформаций основания наряду с методами расчета, изложенными в настоящем Руководстве, допускается применять также другие обоснованные методы.

1.4. При применении мероприятий по уменьшению возможных деформаций оснований или увеличению его несущей способности необходимо производить поверочные расчеты конструкций зданий на уменьшенные значения неравномерных деформаций с учетом увеличенной жесткости основания.

2. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Расчетная схема основания, используемая для определения усилий, деформаций и ширины раскрытия трещин в конструкциях зданий, возникающих вследствие неравномерных деформаций оснований, должна выбираться с учетом механических свойств грунтов, характера их напластований в основании, видов деформационных воздействий со стороны основания на здание и других факторов, оказывающих существенное влияние на совместную работу здания и основания.

2.2. При расчете конструкций панельных зданий на воздействие неравномерных деформаций основания допускается применять расчетную схему основания в виде модели переменного коэффициента жесткости.

Модель переменного коэффициента жесткости позволяет учитывать неоднородность грунтов по глубине и в плане здания, физическую и конструктивную нелинейность при расчетах на неравномерные вертикальные и горизонтальные перемещения, вызванные подземной разработкой полезных ископаемых или просадкой грунтов от их собственного веса при увлажнении, а также развитие деформаций основания во времени.

2.3. Модель переменного коэффициента жесткости характеризует, в общем случае, переменные деформационные свойства основания на контакте основания с фундаментами и служит для определения реактивного давления p:

P = CS, (2.1)

где C — коэффициент жесткости основания;

S — совместная деформация основания и фундамента.

Коэффициент жесткости участка основания представляет собой усилие, которое необходимо приложить к единице его поверхности для ее перемещения на величину, равную единице. При определении значений коэффициентов жесткости следует учитывать основные параметры физико-механических свойств грунтов, размеры и форму подошвы фундамента, а в необходимых случаях — неоднородность геологического строения основания, распределительные свойства грунта, характер нагружения, пластические и реологические свойства грунтов.

В зависимости от характера воздействия со стороны основания на здание (подработка, неоднородность грунтов и т.п.) деформационные свойства основания на контакте с подошвой фундамента могут определяться одним или двумя видами коэффициентов жесткости: при сжатии Cсж и при сдвиге Cсд. Значения коэффициентов жесткости следует определять в соответствии с указаниями прил. 2 главы СНиП II-8-78 «Здания и сооружения на подрабатываемых территориях» или по другим достаточно обоснованным методам.

2.4. При расчете здания или отдельных стен непрерывное основание моделируется совокупностью бесконечного множества не связанных друг с другом опорных стержней, жесткости которых характеризуются соответствующими величинами C (рис. 2.1). Непрерывное основание допускается заменять при расчете отдельными стержнями, коэффициенты жесткости которых должны быть равны жесткостям заменяемых участков непрерывного основания (рис. 2.1, в). Расстояние между отдельными стержнями задается исходя из требований, предъявляемых к точности расчета. Деформации поверхности основания, не связанные с нагрузкой от здания и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений основания, моделируются в соответствии с п. 5.4 настоящего Руководства смещениями опорных стержней (рис. 2.1, г).

Рис. 2.1. Расчетные схемы основания на примере плоской системы

а — непрерывное основание (горизонтальные стержни, за исключением одного, условно не показаны); б — эпюры коэффициентов жесткости при сжатии и сдвиге; в — основание в виде отдельных стержней; г — дискретные опоры для моделирования деформаций поверхности основания

2.5. В зависимости от значений контактных напряжений (нормальные и касательные напряжения на контакте основания с фундаментом) модель переменного коэффициента жесткости может приниматься в виде:

а) линейно-упругой системы, работающей на сжатие, растяжение и сдвиг;

б) нелинейно-упругой или неупругой системы, отражающей нелинейную связь между деформациями и нагрузками на основание в стабилизированном состоянии грунта, различие в деформационных свойствах основания при нагружении и разгрузке, несущую способность основания, нарушение контакта между фундаментом и основанием;

в) реологической системы, отражающей деформационные свойства основания для различных моментов времени в течение строительного и эксплуатационного периодов (в нестабилизированном состоянии грунта).

Выбор системы для расчета производится с учетом указаний настоящего Руководства.

2.6. Расчетные схемы деформирования оснований (изменение коэффициента жесткости и форма перемещений поверхности основания), необходимые для расчета зданий, возводимых в особых грунтовых условиях, следует принимать в соответствии с рекомендациями настоящего раздела.

НЕОДНОРОДНЫЕ ГРУНТЫ

2.7. При проектировании конструкций панельных зданий для строительства на основаниях, сложенных крупнообломочными, песчаными и глинистыми (непросадочными) грунтами, следует учитывать неравномерную сжимаемость этих грунтов, которая может быть вызвана неоднородностью геологического строения основания, естественной изменчивостью деформационных характеристик грунтов одного вида или изменчивостью свойств при повышении их влажности.

2.8. Неоднородность геологического строения основания характеризуется неодинаковой толщиной слоев грунта, линзообразным залеганием отдельных видов грунтов, выклиниванием отдельных слоев, неравномерным распределением в грунте различных включений (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Неоднородное геологическое строение основания

а — геологический разрез; б — осадки поверхности основания; в — эпюра коэффициента жесткости

Закон изменения коэффициента жесткости основания, имеющего неоднородное геологическое строение, определяется по фактическим данным инженерно-геологических исследований площадки строительства. Коэффициент жесткости в i-той точке под подошвой фундамента определяется по формуле

\text{С}_{i} = \frac{p}{S_{i}} , (2.2)

где p — среднее равномерно распределенное давление под подошвой фундамента;

Si — осадка основания в i-той точке рис. 2.2, б.

2.9. При простом геологическом строении основания, характеризующимся наличием одного вида грунта или наличием нескольких слоев различных видов грунтов с горизонтальным или пологим залеганием, модуль деформации грунтов в пределах контура здания может иметь различные значения, обусловленные естественной неоднородностью грунтов одного вида.

В этом случае значения коэффициентов жесткости основания C(\xi) по длине здания определяется по формулам:

при

\xi \leq 1C(\xi) = C_{\text{ср}}(1 \pm \beta cos\pi\xi); (2.3)

при

\xi>1C(\xi) = C_{\text{ср}}(1 \mp \beta), (2.4)

где \xi = \frac{x}{l_{1}} — безразмерная координата;

l1 — полудлина участка с переменным коэффициентом жесткости, определяемая по формуле

l_{1} = \pi_{4} \sqrt{\frac{EI}{C_{\text{ср}}(1 - \beta^{2})(1 + \frac{\pi^{2}}{4})}} \leq l, (2.5)

Cср — среднее значение коэффициента жесткости основания;

EI — приведенная изгибная жесткость здания (стены);

l — полудлина здания;

\beta — коэффициент, характеризующий степень изменчивости сжимаемости основания

\beta = \frac{\alpha - 1}{\alpha + 1} , (2.6)

\alpha — степень изменчивости сжимаемости основания в плане здания,

\alpha = \frac{E_{max}}{E_{min}} , (2.7)

Emax и Emin — соответственно наибольшее и наименьшее значения модуля деформации грунтов в пределах контура здания.

Расчет зданий следует производить для двух схем изменения коэффициента жесткости основания, соответствующих прогибу и выгибу здания (рис. 2.3, а и б).

Рис. 2.3. Расчетные эпюры коэффициента жесткости при естественной неоднородности грунтов

а — для расчета на случай прогиба; б — для расчета на случай выгиба

2.10. Основания, сложенные не полностью водонасыщенными (G < 0,8) глинистыми грунтами и пылеватыми песками, могут изменять сжимаемость вследствие повышения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации здания (рис. 2.4, а).

Рис. 2.4. Расчетные эпюры коэффициента жесткости при увлажнении основания

а — схема для определения длины участка изменения коэффициента жесткости основания; б — эпюра коэффициента жесткости при увлажнении под серединой здания; в — то же, у торца здания

Определение деформационных и прочностных характеристик грунтов (модуль деформации E, удельное сцепление c и угол внутреннего трения \varphi ) с учетом возможного повышения влажности следует производить в соответствии с рекомендациями Руководства [3].

Для предварительных расчетов зданий допускается пользоваться значениями характеристик cII, \varphi_{II} и E для песчаных и глинистых грунтов, помещенными в табл. 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Характеристики песчаных грунтов в табл. 2.1 относятся к кварцевым пескам, содержащим не более 20% полевого шпата и не более 5% мягких частиц, включая растительные остатки.

Характеристики грунтов в табл. 2.2 относятся к глинистым грунтам, содержащим не более 5% растительных остатков.

Таблица 2.2

Расчетом проверяются два случая изгиба здания — выгиб и прогиб, соответствующие наиболее неблагоприятному для работы здания положению участка увлажнения грунта — под серединой и у торца здания. Изменение коэффициента жесткости основания проявляется на участке, полудлина которого l1 (рис. 2.4, б).

Коэффициент жесткости основания C(\xi) на участке изменения определяется по формуле

C(\xi) = \frac{C_{e}}{1 + \beta} [1 - \beta(1 - \beta(1 - 2\xi)], (2.8)

где \xi = \frac{x}{l_{1}} — безразмерная координата;

\beta = \frac{E_{e} - E_{\text{в}}}{E_{e} + E_{\text{в}}} ; (2.9)

Cе и Eе — коэффициент жесткости и модуль деформации грунта основания, соответствующие естественной влажности грунта;

Eв — модуль деформации грунта в условиях полного водонасыщения.

Длина участка l1 (рис. 2.4, а), на котором происходит изменение коэффициента жесткости, зависит от глубины увлажнения и определения по формуле

l_{1} = \frac{a}{2} + kh \leq l, (2.10)

где a — ширина источника замачивания;

h — величина сжимаемой толщины основания, определяется в соответствии с требованиями главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений;

k — коэффициент, учитывающий характер распространения воды в толще грунтов, рекомендуется принимать для глин 0,4 — 0,6, для песков — 1 - 1,4;

l — полудлина здания.

2.11. При расчете конструкций зданий на воздействие неравномерных деформаций основания одновременный учет (суммирование) трех видов неоднородности грунтов (неоднородность геологического строения основания по п. 2.8, естественная изменчивость деформационных характеристик грунтов одного вида по п. 2.9, изменчивость свойств грунтов при увлажнении по п. 2.10) не должен производиться.

В качестве расчетных усилий принимаются наибольшие усилия, определенные для какого-либо одного вида неоднородности грунтов.

ПРОСАДОЧНЫЕ ГРУНТЫ

I тип грунтовых условий

2.12. При проектировании конструкций зданий на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий принимают, что неравномерные деформации грунтов в основании происходят только при местном их замачивании вследствие просадки в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов и собственного веса грунта.

Возможные в этих условиях просадки грунтов от собственного веса величиной до 5 см не учитываются.

2.13. Степень изменчивости сжимаемости оснований на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий оценивается коэффициентом

\alpha_{E1} = \frac{S_{\text{ср}} + S_{\text{пр}I}}{S_{\text{ср}}} (2.11)

и средним модулем деформации основания

Eср = 0,5(Eе + Eв), (2.12)

где Sср — средняя осадка здания на просадочном грунте природной влажности, вычисляемая по формуле (2.18);

SпрI — возможная величина просадки грунта в пределах деформируемой зоны от наиболее нагруженного фундамента по рассматриваемой оси, определяется с учетом полного водонасыщения грунтов по формуле (2.13): при возведении фундаментов на естественном основании — в пределах деформируемой зоны hдеф при частичном устранении просадочных свойств грунтов на глубину hупI в пределах слоя h1 с коэффициентом условий работы m = 1 (рис. 2.5);

Eе и Eв — соответственно нормативные значения модуля деформации просадочных грунтов при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии, определяемые по результатам полевых или лабораторных испытаний с введением коэффициентов.

Рис. 2.5. Схема к расчету возможных величин просадок фундаментов на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий

2.14. Просадка грунтов основания от нагрузки фундаментов в пределах всей или нижней части деформируемой зоны при частичном устранении просадочных грунтов определяется по формуле

S_{\text{пр}I} = \sum_{i = 1}^{n} \delta_{\text{пр}i}h_{i}m, (2.13)

где \delta_{\text{пр}i} — относительная просадочность грунта, определяется при его полном водонасыщении для каждого слоя грунта в пределах деформируемой зоны при давлении, равном сумме природного давления и давления от фундамента в середине рассматриваемого слоя;

hi — толщина i-го слоя грунта;

n — число слоев, на которые разбита деформируемая зона hдеф;

m — коэффициент условий работы основания, принимаемый: для фундаментов шириной от 12 м и более m = 1, а для ленточных фундаментов шириной до 3 м и прямоугольных шириной до 5 м

m = 0,5 + 1,5 \frac{p - p_{\text{пр}}}{p_{0}} . (2.14)

Здесь p — среднее давление под подошвой фундамента, кгс/см2;

pпр — начальное просадочное давление, кгс/см2;

p0 — давление, равное 1 кгс/см2.

Примечания: 1. Коэффициент m для ленточных фундаментов шириной более 3 м и прямоугольных более 5 м определяется интерполяцией между значениями m, вычисляемыми по формуле (2.14) и m = 1.

2. При изменении pпр в пределах деформируемой зоны не более чем в 1,5 раза коэффициент m допускается принимать постоянным.

2.15. При полном устранении просадок грунтов от нагрузки фундаментов характеристики изменчивости сжимаемости основания определяются в зависимости от принятого метода устранения просадок и принимаются равными при применении:

уплотнения грунтов до \gamma_{\text{ск}} \geq 1,6\text{тс}/\text{м}^{3} , \alpha_{EI} = 1,3 , Eср = 150 кгс/см2;

закрепления силикатизацией и обжигом \alpha_{EI} = 1,2 , Eср = 200 кгс/см2;

полной прорезки свайными фундаментами \alpha_{FI} = 1,2 и Eср для подстилающего слоя грунта, на который опираются сваи.

2.16. При устранении просадочных свойств грунтов в пределах верхней части деформируемой зоны уплотнением или закреплением (рис. 2.5) средний модуль деформации в пределах просадочного слоя вычисляется по формуле (2.12), а степень изменчивости сжимаемости оснований \alpha_{EI} вычисляется по формуле (2.11), в которой возможная величина просадки грунта SпрI вычисляется в пределах слоя h1 залегающего от нижней границы уплотненного или закрепленного слоя до глубины деформируемой зоны, с учетом действующих в нем суммарных давлений от собственного веса грунта и дополнительной нагрузки фундамента.

2.17. В зависимости от характеристик деформируемости оснований под действием нагрузки фундаментов условия строительства на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий, в том числе и в случаях применения полного или частичного устранения просадочных свойств грунтов, подразделяются на три группы (табл. 2.3).

Таблица 2.3

2.18. В качестве расчетной модели основания на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий принимается модель переменного коэффициента жесткости, механические свойства которой характеризуются средним коэффициентом C, тс/м2, вычисляемым с учетом рекомендаций п. 2.3 по формуле

C = \frac{p}{S_{\text{ср}}} , (2.15)

где p — среднее давление под подошвой фундаментов здания на основание, тс/м;

Sср — средняя осадка здания, м.

Давление p определяется по формуле

p = \frac{\Sigma p_{i}l_{i}}{2l} , (2.16)

где l — полудлина здания;

pi — давление от расчетной нагрузки под подошвой i-го фундамента на основание, тс/м, определяемое по формуле

p_{i} = p_{\Sigma} - \gamma_{I}\prime_{I}h_{i}b_{i}, (2.17)

где p_{\Sigma} — суммарная расчетная нагрузка на единицу длины подошвы i-го фундамента, тс/м;

\gamma_{I}\prime_{I} — средний объемный вес грунта выше подошвы фундамента, тс/м3;

li, bi, hi — соответственно длина, ширина и глубина заложения фундамента, м.

Средняя осадка здания Sср определяется по формуле, м:

S_{\text{ср}} = \frac{\Sigma S_{i}F_{i}}{\Sigma F_{i}} , (2.18)

где Si — осадка i-го фундамента, м, вычисляемая согласно главе СНиП II-15-74 по проектированию оснований зданий и сооружений для двухслойного основания;

Fi — площадь подошвы i-го фундамента, м2.

2.19. Коэффициент жесткости основания на просадочных грунтах с I типом грунтовых условий, в том числе при полном или частичном устранении просадочных свойств, определяется по формуле

CI = mсIC, (2.19)

где mсI — коэффициент снижения жесткости основания, определяется по формуле

m_{\text{с}I} = \frac{1 + \alpha_{EI}}{2\alpha_{EI}} . (2.20)

2.20. Расчетная схема изменения коэффициента жесткости основания по длине здания задается в соответствии с рис. 2.6. На участке местного замачивания просадочного грунта длиной 2lI коэффициент жесткости основания CI(x) определяется по формуле

C_{I}(x) = \frac{C_{I}}{1 + \beta} \times (1 - \beta cos \frac{\pi x}{l_{I}}), (2.21)

где

\beta = \frac{\alpha_{EI} - 1}{\alpha_{EI} + 1} . (2.22)

Рис. 2.6. Схема изменения коэффициента жесткости основания по длине здания при замачивании грунтов

а — под серединой здания; б — под торцом здания

Полудлина участка местного замачивания грунта и локального уменьшения коэффициента жесткости основания принимается равной:

l_{1} = 2_{4} \sqrt{\frac{EI}{C_{I}}} <l_{\text{п}}, (2.23)

где EI — изгибная жесткость здания;

lп — полудлина участка, м, на котором проявляется неравномерная просадка грунта от нагрузки фундаментов, определяемая по формуле

l_{\text{п}} = h(0,5 + m_{3}tg\beta), (2.24)

где h — толщина слоя грунта, в пределах которого возможна просадка от нагрузки фундамента, принимаемая равной (рис. 2.7) при возведении фундаментов на естественном основании h = hдеф и частичном устранении просадочных свойств грунтов h = h1.

Рис. 2.7. Схемы для определения полудлины участка неравномерной просадки грунта от нагрузки фундамента

а — на естественном основании; б — при устранении просадочных свойств грунта в пределах части деформируемой зоны

Значения величины 0,5 + m_{\beta}tg\beta принимаются по табл. 2.4 в зависимости от строения просадочной толщи.

Таблица 2.4

2.21. За расчетную полудлину участка местного ослабления жесткости основания lр при расчете конструкций зданий принимается:

(2.25)

II тип грунтовых условий

2.22. Проектирование конструкций зданий на просадочных грунтах с II типом грунтовых условий осуществляется с учетом возможности проявления просадок грунтов (рис. 2.8) от нагрузки фундаментов в пределах деформируемой зоны (вертикальных перемещений), от собственного веса грунта в нижней части просадочной толщи, а также горизонтальных перемещений.

Примечание. При проектировании в грунтовых условиях II типа по просадочности уплотнения, закрепления или прорезки свайными фундаментами в пределах всей просадочной толщи следует учитывать возможные неравномерные оседания поверхности основания и свай вследствие замачивания окружающего грунта естественной структуры и проявления сил негативного трения на боковых поверхностях уплотненных, закрепленных массивов грунта и свай.

Рис. 2.8. Характер развития деформаций земной поверхности при замачивании грунтов

а — кривая вертикальных перемещений; б — кривая горизонтальных перемещений; зоны: I — разуплотненная; II — уплотненная; III — нейтральная

При необходимости учета неравномерных деформаций основания от нагрузки фундаментов и собственного веса грунта допускается использовать принцип независимости действия сил и для наиболее неблагоприятного расположения источника замачивания раздельно определять усилия в конструкциях от неравномерных деформаций основания при просадках грунтов от нагрузки фундаментов в пределах части деформируемой зоны и в нижней части просадочной толщи от собственного веса грунта.

2.23. Максимальная величина просадки (вертикального перемещения) грунта от собственного веса (рис. 2.8, а) определяется по формуле

S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}} = \sum_{i = 1}^{n} \delta_{\text{пр}i}h_{i}m, (2.26)

где n — число слоев, на которые разбита деформируемая зона;

\delta_{\text{пр}i} — относительная просадочность грунта i-го слоя в пределах толщины зоны просадки грунта от собственного веса в условиях полного водонасыщения грунта при давлении, равном природному в середине рассматриваемого слоя;

hi — толщина i-го слоя грунта, м;

m — коэффициент условий работы основания, принимаемый равным 1.

При слиянии деформируемой зоны с зоной просадки грунта от собственного веса за верхнюю границу зоны просадки принимается глубина, на которой суммарное вертикальное давление от нагрузки фундамента и собственного веса грунта имеет минимальное значение.

2.24. Величины просадок грунтов от их собственного веса Sмпр.гр(x) на криволинейных участках r их развития в плане (рис. 2.8, а) определяются по формуле

S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}}\prime(x) = 0,5S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}}(1 + cos \frac{\pi x}{r}), (2.27)

где Sмпр.гр — максимальная просадка грунта от собственного веса в центре замачиваемой площади (п. 2.23);

x — расстояние, см, от центра замачиваемой площади или начала горизонтального участка просадки до i-той точки, в которой определяется величина просадки Sмпр.гр(x) (в пределах 0 < x < r);

r — длина, см, криволинейного участка просадки грунта от его собственного веса, определяемая по формуле

r = H(0,5 + m_{\beta}tg\beta), (2.28)

где H — полная величина просадочной толщи.

Величина 0,5 + m_{\beta}tg\beta принимается по табл. 2.4.

2.25. При применении комплекса водозащитных мероприятий и устройстве в основании сплошного маловодопроницаемого экрана из уплотненного грунта толщиной не менее 1,5 м конструкции зданий должны рассчитываться на расчетные величины максимальных S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}} просадок грунтов от собственного веса, определяемых с учетом неполного водонасыщения грунта.

Расчетная величина максимальной просадки S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}} при неполном водонасыщении грунта определяется по формуле (2.26), в которую подставляются величины относительной просадочности отдельных слоев грунта при неполном водонасыщении \delta_{\text{п}}\prime_{\text{р}i} , определяемые по формуле

(2.29)

где Wк и Gк — конечная влажность и степень влажности грунта после замачивания;

Wпр и Gпр — начальная просадочная влажность и степень влажности, соответствующая начальной просадочной влажности грунта;

Wв и Gв — влажность и степень влажности, соответствующие полному водонасыщению грунта;

\delta_{\text{пр}i} — относительная просадочность при полном водонасыщении.

Примечания: 1. При начальной влажности Wпр(Gпр) меньше природной W(G) в формуле (2.29) вместо Wпр(Gпр) принимается W(G).

2. Для предварительных расчетов допускается принимать Gк = 0,65; Gпр = 0,4 — 0,5; Gв = 0,85.

2.26. Степень изменчивости сжимаемости основания на просадочных грунтах с II типом грунтовых условий оценивается коэффициентом

\alpha_{EII} = \frac{e_{\text{ос}} + e_{\text{пр}}}{e_{\text{ос}}} = 1 + \frac{e_{\text{пр}}}{e_{\text{ос}}} , (2.30)

где eос — средняя относительная деформация грунта от нагрузки фундамента в пределах сжимаемой зоны, равная:

e_{\text{ос}} = \frac{S}{h_{a}} , (2.31)

S — величина осадки наиболее характерного по нагрузкам и размерам фундамента, определяемая по главе СНиП II-15-74 с учетом полного или частичного устранения просадочных свойств грунтов в пределах деформируемой зоны;

ha — толщина сжимаемой зоны основания от нагрузки фундамента;

eпр — средняя относительная деформация грунта при просадке его от собственного веса, равная:

e_{\text{пр}} = \frac{S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}}}{h_{\text{св}}} , (2.32)

S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}} — расчетная просадка грунта от собственного веса, определяемая по п. 2.25;

hсв — толщина зоны просадки от собственного веса, вычисляемая по формуле

h_{\text{св}} = H - \frac{p_{\text{пр}}}{\gamma_{IIc\text{р}}} , (2.33)

где H — мощность просадочной толщи от дневной поверхности до кровли непросадочного слоя или уровня грунтовых вод, м;

pпр — начальное просадочное давление грунтов толщи, тс/м2;

\gamma_{IIc\text{р}} — средний объемный вес грунтов, тс/м3, лежащих выше зоны просадки грунта от собственного веса, принимаемый при замачивании сверху с учетом полного водонасыщения.

2.27. В грунтовых условиях II типа по просадочности вычисление средней жесткости основания CII при просадке грунтов от собственного веса производится с учетом следующих положений:

сжимаемость водонасыщенного грунта в пределах увлажненной зоны, размеры которой возрастают с глубиной, значительно превышает снижаемость этого же грунта при естественной влажности;

за пределами зоны увлажнения жесткость основания определяется величиной модуля деформации грунтов естественной влажности.

Средняя жесткость оснований CII, тс/м2, в пределах зоны увлажнения вычисляется по формуле

CII = mCIIC, (2.34)

где C — средний коэффициент жесткости основания, определяемый по рекомендациям п. 2.18;

mCII — коэффициент снижения жесткости основания при замачивании, определяемый в зависимости от расчетной длины криволинейного участка просадки грунта от собственного веса r по формулам:

(2.35)

2.28. Горизонтальные перемещения происходят на криволинейных участках просадки грунта r и характеризуются зонами разуплотнения I и уплотнения II грунта.

В пределах зон горизонтального уплотнения происходит уплотнение грунта с перемещением его от периферии в сторону центра замачиваемой площади.

В зонах горизонтального разуплотнения происходят горизонтальные перемещения с разуплотнением грунта, выражающемся появлением в нем растягивающих напряжений и образованием просадочных трещин.

2.29. Расчетные величины горизонтального перемещения Uпр, см, на поверхности основания при просадке грунта от собственного веса определяются по формуле

U_{\text{пр}} = 0,5\epsilon r, (2.36)

где r — расчетная длина криволинейного участка просадки грунта от собственного веса, см;

\epsilon — относительное горизонтальное перемещение поверхности грунта, определяемое по формуле

\epsilon = 0,66(\frac{S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}}}{r} - 0,005), (2.37)

S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}.\text{р}} — расчетная величина просадки грунта от собственного веса, см, определяемая по п. 2.25.

Примечание. Максимальное значение относительного горизонтального перемещения \epsilon принимается равным 10 мм/м.

2.30. Изменение величины горизонтальных перемещений на криволинейном участке просадки грунта от собственного веса описывается выражением

U_{\text{пр}}(x) = 0,5\epsilon r(1 + cos \frac{2\pi x}{r}), (2.38)

где x — координата i-той точки в м, в которой определяется величина горизонтального перемещения грунта, изменяющаяся при расположении начала координат в точке O с максимальным значением горизонтального перемещения от нуля до плюс r/2 и от нуля до минус r/2.

ПОДРАБАТЫВАЕМЫЕ ТЕРРИТОРИИ

2.31. Панельные здания, возводимые на подрабатываемых территориях, должны проектироваться с учетом сдвижений и деформаций земной поверхности, происходящих в результате подземной выемки полезного ископаемого (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Схема деформаций земной поверхности при подземной выемке полезного ископаемого

а — при пологом падении пласта полезного ископаемого; б — при крутом падении пласта; 1 — кривая оседаний; 2 — эпюра относительных горизонтальных деформаций

2.32. В качестве исходных данных для проектирования зданий должны быть заданы максимальные величины ожидаемых (нормативных) деформаций земной поверхности на участке строительства в направлениях вкрест и по простиранию пласта:

оседание \eta , см;

наклон i, мм/м;

кривизна выпуклости, вогнутости K, (1/км), или радиус кривизны R = \frac{1}{K} , км;

горизонтальное сдвижение \xi , см;

горизонтальная деформация (растяжения или сжатия) \epsilon , мм/м;

уступ высотой h, см.

Определение величин деформаций земной поверхности осуществляется по специально разработанным методикам, а также с учетом требований главы СНиП по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

2.33. В зависимости от ожидаемых деформаций земной поверхности подрабатываемые территории подразделяются на группы в соответствии с табл. 2.5.

Таблица 2.5

Подрабатываемые территории, на которых при выемке пластов полезного ископаемого образуются уступы земной поверхности, подразделяются, в зависимости от ожидаемой высоты уступа, на группы в соответствии с табл. 2.6.

Таблица 2.6

2.34. Расчетные деформации земной поверхности, учитываемые при расчете зданий как факторы нагрузки, определяются умножением значений ожидаемых деформаций на соответствующие коэффициенты перегрузки n, принимаемые по табл. 2.7.

Таблица 2.7

Примечание. Коэффициенты перегрузки меньше единицы следует учитывать при расчете зданий и сооружений на одновременное действие деформаций земной поверхности двух и более видов, когда уменьшение значения деформаций какого-либо вида может ухудшить условия работы конструкций.

2.35. При расчете конструкций зданий на воздействия деформаций земной поверхности необходимо вводить коэффициенты условий работы m, определяемые по табл. 2.8 в зависимости от общей длины здания (отсека).

Таблица 2.8

2.36. Расчетная схема вертикальных перемещений земной поверхности при подземной выемке полезных ископаемых принимается в виде параболического цилиндра с радиусом в вершине, равном R, или оседания основания параллельно начальной горизонтальной поверхности с образованием вертикального уступа высотой h (рис. 2.10, 2.11).

Рис. 2.10. Воздействие вертикальных деформаций земной поверхности при плавной мульде сдвижения

а — кривизна выпуклости; б — кривизна вогнутости

Рис. 2.11. Расчетные схемы расположения уступа под зданием

1 — план здания; 2 — вертикальные перемещения земной поверхности при ступенчатой мульде

Значения радиуса кривизны R и высоты уступа h используются при расчете зданий на воздействие неравномерных вертикальных деформаций земной поверхности.

2.37. Расчетное оседание любой точки основания y относительно оси здания или его отсека определяется по формуле

y = n_{K}m_{K} \frac{x^{2}}{2R} , (2.39)

где nK, mK — коэффициенты перегрузки и условий работы, принимаемые по главе СНиП II-8-78;

x — расстояние от рассматриваемой точки до соответствующей центральной оси здания или его отсека.

2.38. За расчетное местоположение уступа в плане здания принимается его действительное (протрассированное с соседних участков) или такое, при котором возникающие в несущих конструкциях здания усилия будут наибольшими (см. рис. 2.11).

Невыгодное положение уступа под зданием, определяемое расстоянием a от торца здания, определяется расчетом.

2.39. Величины относительных горизонтальных деформаций используются для определения растягивающих и сжимающих сил, действующих на фундаментно-подвальную часть зданий.

2.40. Расчетное перемещение точек земной поверхности относительно центральной оси здания или отсека (рис. 2.12), вызванное воздействием горизонтальных деформаций растяжения (сжатия), определяется по формуле

\Delta l = \pm n_{\epsilon}m_{\epsilon}\epsilon x, (2.40)

где \epsilon — ожидаемая величина относительных горизонтальных деформаций; обозначения n, m и x приведены к формуле (2.39).

Рис. 2.12. Воздействие относительных горизонтальных деформаций земной поверхности на здание

а — деформации растяжения; б — деформации сжатия

2.41. Наклон i учитывается при расчете высоких зданий, у которых перемещение центра тяжести может вызвать появление дополнительных усилий в несущих конструкциях (рис. 2.13) и в основании, или зданий, у которых величина крена ограничена условиями эксплуатации лифтового оборудования.

Рис. 2.13. Воздействие наклона земной поверхности на здание

ОТТАИВАЮЩЕЕ ВЕЧНОМЕРЗЛОЕ ОСНОВАНИЕ

2.42. Проектирование конструкций зданий на основании, включающем мерзлые грунты, оттаивание которых допускается в процессе эксплуатации, следует осуществлять с учетом неравномерных осадок фундаментов, вызванных деформациями грунтов в зоне («чаше») оттаивания, глубина и конфигурация которой изменяются во времени.

В соответствии с главой СНиП II-18-76 осадки оттаивающего основания складываются из трех составляющих деформаций Sот, вызванных оттаиванием грунта без нагрузки; деформаций S^{\gamma} , вызванных обжатием оттаявшего грунта под действием собственного веса; деформаций Sq, вызванных уплотнением оттаявшего грунта под действием постоянных и временных нагрузок от здания.

2.43. При расчете и проектировании зданий на оттаивающем вечномерзлом основании следует учитывать: переменность свойств основания как в продольном, так и поперечном направлениях; значительную неравномерность давления, передаваемого фундаментом на грунт; непрерывное изменение свойств основания в течение длительного (десятки лет) периода.

2.44. Переменность свойств основания в продольном и поперечном направлениях рекомендуется учитывать пространственной расчетной моделью основания с дискретным описанием его свойств в некотором числе точек контакта с фундаментом.

2.45. Значительная неравномерность давлений фундамента на грунт в каждый момент времени деформирования учитывается неупругой расчетной моделью основания, отражающей нелинейную связь между деформациями и нагрузками, различие в деформационных свойствах основания при нагружении и разгрузке, несущую способность основания, возможность нарушения контакта между фундаментом и основанием.

При этом рассматривается возможность образования трех различных зон в основании:

в первой зоне реакции основания равны нулю, а деформации основания не повторяются фундаментами (зона нулевых реакций или зона отрыва основания от фундамента);

во второй зоне реакции основания находятся в пределах 0 < p < pпр и деформации фундаментов повторяют деформации основания (зона уплотнения);

в третьей зоне реакции основания равны предельным давлениям на него pпр, а развитие осадок ограничивается только жесткостью конструкций (зона пластических деформаций).

2.46. При расчете усилий и деформаций, вызванных в конструкциях здания неравномерной осадкой фундаментов на оттаивающих вечномерзлых грунтах, последние представляются в виде искривляемого неравномерно сжимаемого основания с переменными во времени и плане здания геометрическими и жесткостными параметрами.

Непрерывный процесс деформирования заменяется при этом рядом последовательных этапов \Delta t_{g} = t_{g} - t_{g - 1} , на протяжении каждого из которых свойства основания на контакте с фундаментами описываются следующими характеристиками, заданными в некотором конечном числе точек:

вертикальным перемещением y = S0d поверхности искривления основания, не зависящим от нагрузки на фундаменты, приложенной на данном временном этапе;

коэффициентом жесткости основания cg при деформировании его нагрузкой от здания, приложенной на данном этапе.

2.47. В каждый расчетный момент времени в любой точке контакта связь между осадками фундаментов W и реактивным отпором основания p имеет вид

P_{m(t_{g})} = c_{m,g}[W_{m(t_{g})} - S_{m,g}^{0}]. (2.41)

При этом характеристика cm,g в зависимости от типа деформирования данного участка основания принимается:

cm,g = 0, если W_{m,g} \leq S_{m,g}^{0} ;

c_{m,g} = c_{m,g}^{\text{л}} , если S_{m,g}^{0}<W_{m,g} \leq S_{m,g}^{0} + \frac{p_{m,g}^{\text{пр}}}{\text{с}_{m,g}^{\text{л}}} ; (2.42)

c_{m,g} = \frac{p_{m,g}^{\text{пр}}}{W_{m,g} - S_{m,g}^{0}} , если W_{m,g}>S_{m,g}^{0} + \frac{p_{m,g}^{\text{пр}}}{\text{с}_{m,g}^{\text{л}}} .

Здесь c_{m,g}^{\text{л}} — коэффициент жесткости основания в линейной стадии его деформирования нагрузкой от здания;

p_{m,g}^{\text{пр}} — значение реактивного отпора основания, соответствующее потери им несущей способности.

2.48. Величины S_{m,g}^{0} , c_{m,g}^{\text{л}} , и p_{m,g}^{\text{пр}} должны отражать изменение температурного режима и механических свойств грунтов, происшедшее как на предыдущих, так и на рассматриваемом этапе времени.

При расчете здания в реальных мерзлотно-геологических условиях эти величины определяются по п. 2.51 - 2.53.

При учете свойств нелинейной наследственной ползучести основания в пределах одного расчетного этапа времени приняты следующие допущения:

механические параметры основания постоянны и ступенчато изменяются от этапа к этапу;

зависимости «давление — деформация» взаимно подобны для всех моментов времени, кроме i = 0;

скорость изменения давления (как и y = S0) постоянна, что эквивалентно кусочно-линейной аппроксимации процесса во времени.

Определение параметров расчетной модели оттаивающего вечномерзлого основания

2.49. При определении расчетных параметров оттаивающее вечномерзлое основание представляется в виде многослойной расчетной модели с переменным во времени количеством n деформируемых однородных по высоте слоев оттаявшего грунта с различными физико-механическими свойствами и подстилающего слоя мерзлого грунта, деформативностью которого пренебрегают.

Глубину оттаявшей толщи, принимаемой в расчете согласно требованиям СНиП II-18-76, следует определять с учетом изменения ее во времени до момента, соответствующего заданному сроку эксплуатации здания. При этом границу оттаивания рекомендуется определять теплотехническим расчетом по методике, изложенной в прил. 3 главы СНиП II-18-76, а также с помощью вычислительных машин и аналоговых устройств. В ЛенЗНИИЭП разработана программа МОПС, предназначенная для расчета нестационарного температурного поля в слоисто-однородной среде.

2.50 Деформация слоя i в момент времени tg принимается равной:

S_{i,g} = S_{i,g}^{\text{от}} + S_{i,g}^{\gamma} + S_{i,g}^{q}, (2.43)

S_{i,g}^{\text{от}} — деформация оттаивания, происходящая без нагрузки, определяется в соответствии с главой СНиП II-18-76 по формуле

S_{i,g}^{\text{от}} = [A_{i}(1 - \text{Л}_{ci}) + k_{\text{л}i}\text{Л}_{ci}]h_{i}, (2.44)

где hi — толщина i-го слоя оттаявшего грунта;

Ai — коэффициент оттаивания i-го слоя грунта, характеризующий осадку грунта при его оттаивании без нагрузки;

Лсi — разность между суммарной льдистостью i-го слоя грунта и суммарной льдистостью образца грунта, взятого из этого слоя;

kлi — коэффициент, учитывающий неполное смыкание микропор при оттаивании мерзлого грунта, принимаемый в зависимости от средней толщины ледяных включений \Delta_{\text{л}} ; при \Delta_{\text{л}} \leq 1\text{см} kл = 0,7; при \Delta_{\text{л}} \geq 3\text{см} kл = 0,9, при промежуточных значениях \Delta_{\text{л}} коэффициент kл определяется интерполяцией.

Примечание. Коэффициент оттаивания A следует определять по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов горячими штампами либо по данным лабораторных испытаний в соответствии с ГОСТ 19706-74. При определении A из испытаний горячими штампами значение Лсi принимается равным нулю.

S_{i,g}^{\gamma} — деформация уплотнения от действия собственного веса оттаявшего грунта, определяемая по формуле

(2.45)

где ù_{i,g} — степень обратимости деформации, численно равная отношению коэффициентов обратимой и полной деформаций;

S_{i,g}^{q} — деформация уплотнения от действия дополнительного давления на грунт, вызванного нагрузкой от здания, определяемая по формулам:

при возрастании давления во времени (нагружение)

(2.46)

при уменьшении давления (разгрузке)

(2.47)

В формулах (2.45) - (2.47):

S_{i,g - 1}^{\gamma} — деформация слоя i от действия собственного веса грунта, накопившаяся к началу рассматриваемого этапа времени

\Delta t_{g} = t_{g} - t_{g - 1};

S_{i,g - 1}^{q,\text{обр}} , S_{i,g - 1}^{q,\text{ост}} — соответственно обратимая и остаточная части деформации слоя от дополнительного давления, накопившиеся к началу рассматриваемого этапа времени \Delta t_{g} , см;

ai,g — коэффициент сжимаемости грунта в слое i на этапе \Delta t_{g} , равный:

a_{i,g} = a_{i,g}^{\text{о}} + a_{i,g}^{\text{п}}, (2.48)

где a_{i,g}^{\text{о}} = a_{i,g}^{\text{обр}} = \chi_{i,g}a_{i,g} — коэффициент мгновенной сжимаемости, принимаемый приближенно равным коэффициенту обратимой (упругой) сжимаемости грунта, см2/кгс;

a_{i,g}^{\text{п}} = a_{i,g}^{\text{ост}} = (1 - \chi_{i,g})a_{i,g} — коэффициент сжимаемости, соответствующий деформации ползучести, приближенно принимаемый равным коэффициенту остаточной сжимаемости грунта, см2/кгс;

\psi_{i,g} = \psi_{i,g}(t_{g} - t_{g - 1}) — безразмерная величина, характеризующая приращение за промежуток времени \Delta t_{g} деформации ползучести (консолидации) слоя i, вызванной постоянным напряжением в слое; эта величина может быть получена при аппроксимации кривых ползучести грунта в виде

S_{i,g} = a_{i,g}\sigma[\chi_{i,g} + (1 - \chi_{i,g})\psi_{i,g}(t - t_{g - 1})] (2.49)

при \sigma = const ,

где \psi_{i,g}(t - t_{g - 1}) частном случае может быть представлена в форме

\psi_{i,g}(t - t_{g - 1}) = 1 - e^{-}^{\frac{{}^{t - t}g - 1}{\beta}} (2.50)

( \beta — время запаздывания деформации);

\eta_{i,g} = \int_{t_{g - 1}}^{t_{g}} \frac{\psi_{i,g}(t_{g} - \tau)}{\Delta t_{g}} d\tau

• безразмерная величина, характеризующая приращение за промежуток времени \Delta t_{g} деформации ползучести (консолидации) слоя i, вызванной единичным приращением напряжения в слое i; при \psi_{i,g}(t_{g} - \tau) = 1 - e^{-}^{\frac{t_{g} - \tau}{\beta}} величина \eta_{i,g} определяется по формуле

(2.51)

p_{\delta i} — давление в середине i-го слоя от собственного веса оттаявшего грунта, кгс/см2;

\sigma_{i,g - 1} ; \sigma_{i,g} — напряжение в i-том слое грунта от дополнительного давления в моменты времени tg-1 и tg, кгс/см2;

hi — толщина i-го слоя грунта.

2.51. Величина вертикального перемещения y = Sg поверхности искривляемого основания в момент времени \Delta t_{g} определяется суммой трех составляющих:

S_{g}^{0} = S_{g}^{\text{от}} + S_{g}^{\gamma} + S_{g}^{q}, (2.52)

где S_{g}^{\text{от}} — осадка оттаивания, равная:

S_{g}^{\text{от}} = \sum_{i = 1}^{n_{g}} [A_{i}(1 - \text{Л}_{ci}) + k_{\text{л}i}\text{Л}_{ci}]h_{i}, (2.53)

ng — число слоев, на которое разбивается толщина грунта, оттаявшего к моменту времени tg;

S_{g}^{\gamma} — осадка уплотнения основания от действия собственного веса оттаявшего грунта, определяемая по формуле

(2.54)

P_{\delta i} — давление в середине i-го слоя, от собственного веса грунта, равное по главе СНиП II-18-76 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» \gamma[h + 0,5(z_{i} + z_{i - 1})] (здесь \gamma — объемный вес грунта, кгс/см3;

h — глубина заложения подошвы от отметки планировки, см;

zi-1, zi — расстояние от подошвы фундамента соответственно до кровли и подошвы i-го слоя, см);

\overline{S_{g}^{q}} — осадка уплотнения в момент времени tg, вызванная длительным приложением переменного во времени дополнительного давления q(t) от здания за период от начала нагружения до начала рассматриваемого этапа \Delta t_{g} и определяемая по формулам:

при возрастании давления (нагружение)

(2.55)

при уменьшении давления (разгрузка)

(2.56)

\sigma_{i,g - 1} — величина напряжения в каждом i-том слое основания, вызванного дополнительным давлением qg-1 от здания; по рекомендованной СНиП II-18-76 расчетной схеме основания в виде линейно-деформируемого слоя конечной толщины эту величину можно приближенно определять по формуле

\sigma_{i,g - 1} = q_{g - 1} \frac{M(k_{i}\prime - k_{i}\prime_{- 1})(1 - \text{Л}_{\text{с}i})}{h_{i}} . (2.57)

2.52 Величина коэффициента жесткости основания C_{g}^{\text{л}} на этапе \Delta t_{g} определяется по формулам:

при увеличении давления (нагружение)

$\text{с}{g}^{\text{л}.\text{н}} = \frac{1}{M \sum{i = 1}^{ng} a_{i,g}[\chi_{i,g} + (1 — \chi_{i,g})\eta_{i,g}](k_{i}\prime — k_{i}\prime_{- 1})(1 — \text{Л}_{\text{с}i})} ;$ (2.58)

при уменьшении давления (разгрузка)

(2.59)

В формулах (2.58) и (2.59):

M — безразмерный коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений вследствие наличия подстилающего слоя (мерзлого грунта), определяемый в зависимости от отношения H/b по табл. 2.9;

H — расстояние от подошвы фундамента до границы вечномерзлого или малосжимаемого слоя, см;

b — ширина подошвы фундамента, см;

k_{i}\prime = k_{\mu i}k_{i};

k_{\mu i - 1} , k_{\mu i} — безразмерные коэффициенты, определяемые по табл. 2.10 соответственно для кровли и подошвы i-го слоя в зависимости от отношения H/b и коэффициента Пуассона грунта, значение которого может приниматься равным: 0,27 — для крупнообломочных грунтов; 0,3 — для песков и супесей; 0,35 — для суглинков; 0,42 — для глин;

ki-1, ki — безразмерные коэффициенты, принимаемые в зависимости от формы подошвы фундамента, отношений l/b (l — длина фундамента), H/b и положения рассматриваемой точки.

Таблица 2.9

Таблица 2.10

Для точки подошвы фундамента, находящегося на вертикальной оси, проходящей через середину здания, коэффициент ki вычисляется по формуле

k_{i} = \frac{k_{0i} + 2k_{1i}}{3} , (2.60)

где k0i — значение k0 для центра фундамента, принимаемое по табл. 2.11 для глубины

\frac{z_{l}}{b} = \frac{H_{l}}{b} ;

k1i — значение k1 для середины большей стороны фундамента, принимаемое по табл. 2.12.

Таблица 2.11

Для точки подошвы фундамента, находящейся на вертикальной оси, проходящей через край здания, коэффициент ki равен:

k_{i} = \frac{k_{2i} + 2k_{3i}}{3} , (2.61)

где k2i — значение k2 для середины меньшей стороны фундамента, принимаемое по табл. 2.13;

k3i — значение k3 для угловых точек фундамента, принимаемое по табл. 2.14.

Таблица 2.13

Таблица 2.14

2.53. Величина предельного отпора грунта P_{i,g}^{\text{пр}} определяется по формуле (28) главы СНиП II-15-74.

2.54. В случае ориентировочного расчета допустимо одноэтапное решение задачи. В этом случае \psi_{i,g} = 1 ; \eta_{i,g} = 1 . Тогда величина вертикального перемещения S0 вычисляется по формулам:

при увеличении дополнительного давления

S^{0,\text{и}} = S^{\text{от}} + S^{\gamma}; (2.62)

при уменьшении дополнительного давления

S^{0,\text{р}} = S^{\text{от}} + S^{\gamma} + \overline{S^{q}}, (2.63)

Sот определяется по формуле

S^{\gamma} = \sum_{i = 1}^{n} a_{i}p_{\delta,i}h_{i};

\overline{S^{q}} = M \sum_{i = 1}^{n} (1 - \chi_{i})a_{ig}(k_{i}\prime - k_{i}\prime_{- 1})(1 - \text{Л}_{\text{с}i}), (2.64)

q — нагрузка от здания на фундамент.

Величина коэффициента жесткости основания Cл вычисляется по формуле

c^{\text{л}} = \frac{1}{M \sum_{i = 1}^{n} a_{i}(k_{i}\prime - k_{i}\prime_{- 1})(1 - \text{Л}_{\text{с}i})} . (2.65)

3. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ЗДАНИЙ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1. Конструкции панельных жилых зданий, проектируемых для строительства в особых грунтовых условиях, должны удовлетворять требованиям расчета по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации (первая группа предельных состояний) и по непригодности к нормальной эксплуатации (вторая группа предельных состояний).

Расчетом на воздействие неравномерных деформаций основания по первой группе предельных состояний следует проверять:

конструкции здания и их стыковые соединения для предотвращения разрушений в период строительства и расчетного срока эксплуатации здания;

здание в целом для предотвращения недопустимого крена;

основание здания для предотвращения потери его несущей способности.

Расчетом по второй группе предельных состояний должны быть проверены:

панели перекрытий и связи между ними на усилия, возникающие в плоскости перекрытий;

стены здания для ограничения раскрытия трещин и взаимных смещений панелей.

3.2. Расчет конструкций зданий должен производиться с учетом наиболее неблагоприятных комбинаций нагрузок и воздействий. Комбинации нагрузок и воздействий, а также порядок их учета при расчете по первой и второй группам предельных состояний, следует принимать в соответствии с рекомендациями пп. 3.6 и 3.7 настоящего Руководства, а для подрабатываемых территорий — с учетом дополнительных требований главы СНиП II-8-78.

3.3. Перемещения и усилия в конструкциях панельных зданий при расчете по предельным состояниям первой и второй группы следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры и наличия трещин.

Учет неупругих деформаций материала допускается осуществлять путем снижения начальных модулей упругости в соответствии с указаниями Инструкции по проектированию конструкций панельных жилых зданий.

3.4. Усилия, действующие в плоскости стен и перекрытий в зависимости от характера деформаций основания, особенностей конструктивно-планировочного решения и требуемой точности расчета, следует, как правило, определять на основе пространственных или плоских расчетных схем.

При определении реактивных давлений основания и обобщенных усилий в зданиях допускается принимать расчетные схемы в виде балки, системы перекрестных балок и плиты, лежащих на деформируемом основании. С помощью таких расчетных схем производятся, при необходимости, учет нелинейных и длительных деформаций основания, определение невыгодного положения источника замачивания относительно здания на просадочных грунтах и наиболее неблагоприятного положения здания на мульде сдвижения при подработке и т.д. При этом усилия в элементах конструкций могут определяться на основе следующих расчетных схем:

а) из здания выделяются отдельные стены, каждая из которых рассчитывается независимо как плоская пластинчатая или стержневая система на непосредственно приложенные к ней нагрузки, часть которых (реакции основания, усилия взаимодействия между стенами) определяется из расчета по балочной или плитной расчетной схеме;

б) используются заранее установленные для данного вида зданий (теоретическим или экспериментальным путем) законы распределения усилий по высоте стен.

3.5. Расчетную схему основания, используемую при расчете деформаций грунтов от нагрузок, следует принимать в соответствии с указаниями гл. 2 настоящего Руководства.

НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

3.6 При расчете панельных зданий и их конструкций следует учитывать следующие нагрузки и воздействия:

постоянные:

а) вес конструкций зданий;

б) вес и боковое давление грунтов;

длительные:

а) нагрузки на перекрытия технических этажей и чердачных помещений, нормативные величины которых принимаются равными весу установленного оборудования и дополнительно 75 кгс/м2;

б) воздействие неравномерных деформаций оснований, возникающих при обжатии грунта нагрузками от здания и не сопровождающихся изменением структуры и свойств грунта;

нагрузка на перекрытия от веса людей, мебели и легкого оборудования в размере 50 кгс/м2 (указанная нагрузка считается действующей во всех помещениях жилого дома, а также на балконах, лоджиях, в лестничных клетках, коридорах, вестибюлях и пр.);

г) снеговая нагрузка, равная нормативной минус 70 кгс/м2 для районов, где нормативная снеговая нагрузка 70 кгс/м2 и ниже, а длительная временная нагрузка от снега равна нулю;

температурное климатическое воздействие, обусловленное годовым изменением среднемесячных температур наиболее холодного и теплого месяцев;

е) влажностное воздействие, обусловленное уменьшением начальной изготовительной влажности до равновесного состояния и сопровождающееся деформациями усадки;

кратковременные:

а) нагрузка на перекрытие жилых зданий, равных нормативной нагрузке минус нагрузка величиной 50 кгс/м2, которая считается длительной;

нормативная временная нагрузка при расчете элементов, к которым она непосредственно приложена, принимается в размере:

в квартирах — 150 кгс/м2;

в вестибюлях, коридорах, лестницах и относящихся к ним проходах — 300 кгс/м2;

на балконах и лоджиях — 400 кгс/м2 на полосе шириной 0,8 м, которая примыкает к внешнему ограждению, либо 200 кгс/м2 по всей площади (учитывается нагрузка, вызывающая наибольшие усилия);

при расчете основания, фундаментов и стен величина нормативной нагрузки во всех перечисленных помещениях принимается равной 150 кгс/м2 (при этом суммарную нагрузку допускается снижать умножением на коэффициент \eta_{m} = 0,3 + 0,6/ \sqrt m , где m — число учитываемых в расчете полностью загруженных перекрытий над рассматриваемым сечением);

б) снеговая нагрузка, равная нормативной нагрузке, но не более 70 кгс/м2;

в) климатическое температурно-влажностное воздействие, обусловленное максимально возможным изменением температуры и влажности конструкции (с учетом суточных изменений под влиянием суточных колебаний температуры воздуха и прямого солнечного облучения ограждающих конструкций);

г) ветровая нагрузка;

особые:

а) воздействие неравномерных деформаций основания при оттаивании вечномерзлых грунтов;

б) воздействие просадок основания, возникающих при замачивании лессовидных грунтов;

в) воздействие сдвижений и деформаций земной поверхности в районах горных выработок;

г) нагрузки, вызванные резкими нарушениями нормальных условий эксплуатации (взрыв бытового газа или других взрывоопасных веществ, пожар и т.п.);

д) нагрузки, возникающие при выравнивании зданий, от подъемных устройств.

3.7. Расчет конструкций следует выполнять с учетом наиболее неблагоприятных комбинаций нагрузок и воздействий или соответствующих им усилий. Нагрузки и воздействия, учитываемые в различных основных сочетаниях нагрузок, и коэффициенты перегрузки, на которые должны умножаться нормативные величины нагрузок и воздействий в различных комбинациях при расчете конструкций жилых зданий и их оснований, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

<*> Нагрузки в коридорах, вестибюлях, лестничных клетках, балконах, лоджиях принимаются с коэффициентом перегрузки 1,3.

<**> Учитывается длительная или кратковременная составляющая температурного воздействия.

Примечание. Коэффициент \eta_{m} определяется по формуле \eta_{m} = 0,3 + 0,6/ \sqrt{m} , где m — число этажей, расположенных выше рассматриваемого горизонтального сечения.

Порядок учета различных нагрузок и воздействий при расчете по первой и второй группам предельных состояний показан в табл. 3.2.

Таблица 3.2

РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ЗДАНИЙ

3.8. Расчет панельных зданий или их частей на воздействие неравномерных деформаций основания допускается выполнять на основе одно-, двух- или трехмерных расчетных схем.

Одномерные расчетные схемы (стержни, балки) применяются тогда, когда изменение свойств (физических, конструктивных, геометрических, деформационных) конструкции, внешних воздействий и условий опирания в направлении двух других измерений пренебрежимо мало.

Применение двухмерных расчетных схем допускается в тех случаях, когда изменение указанных выше свойств несущественно в направлении одного из трех измерений.

Трехмерные расчетные схемы должны применяться в тех случаях, когда из трех направлений измерений нельзя выделить одно или два с преобладающим изменением свойств, перечисленных выше.

3.9. Выбор расчетной схемы и степень идеализации рассчитываемой конструкции здания должны проводиться с учетом особенностей конструктивно-планировочного решения здания, характера и величин расчетных деформаций основания, степени достоверности исходных данных, а также требуемой точности расчета.

Расчетная схема здания и применяемый метод расчета должны позволять, в необходимых случаях, учитывать физическую, конструктивную и геометрическую нелинейность, ползучесть материалов конструкций и основания.

3.10. В зависимости от вида расчетного элемента, положенного в основу расчетной схемы, рекомендуется применять расчетные схемы следующих типов:

стержневые системы с дискретными связями (балочные, рамные, решетчатые);

плитные и пластинчато-стержневые системы;

составные тонкостенные стержни;

составные призматические оболочки;

комбинированные системы.

Применение вышеуказанных схем должно учитывать возможность максимального использования для расчета на ЭВМ.

Перечень разработанных программ для ЭВМ по расчету панельных зданий и их конструкций приведен в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Стержневые системы с дискретными связями

3.11. В стержневых системах основным расчетным элементом являются одномерные элементы, имеющие параметры жесткости, соответствующие характеру их работы. Совместность деформаций элементов обеспечивается в конечном числе точек (узлов) с помощью жестких или податливых связей.

Наиболее упрощенной расчетной схемой является стержень (балка), покоящийся на упругом основании (рис. 3.1, а). Стержень имеет жесткостные характеристики, соответствующие приведенной жесткости отдельной стены или здания в целом: EI, GF.

Рис. 3.1. Стержневые системы

а — балочная; б — балочно-составная; в — балочно-перекрестная

Такая расчетная схема служит для определения реакций основания под зданием, являющихся нагрузкой на здание со стороны деформируемого основания. С помощью балочной расчетной схемы значительно облегчается учет при расчете здания таких факторов, как неоднородность грунтов основания по длине здания, нелинейная зависимость осадок оснований от давлений и т.п. Приведенные жесткостные характеристики балки определяются по специальной методике.

Балочная расчетная схема рекомендуется для расчета зданий высотой до 9 этажей с несущими наружными и внутренними продольными и поперечными стенами при опирании перекрытий размером на комнату по контуру.

3.12. Для определения усилий действующих в плоскости стены здания, последняя может рассматриваться как балочно-составная система, состоящая из горизонтальных параллельных балок, соединенных конечным числом связей (рис. 3.1, б).

Жесткость балок соответствует жесткости перемычек с примыкающими участками перекрытий, а жесткость связей — жесткости простенков.

Перекрестная система (рис. 3.1, в) представляет собой раму на упругом основании, работающую на нагрузку в своей и перпендикулярной плоскости. В такой расчетной схеме стержни обоих направлений моделируют работу продольных и поперечных стен и примыкающих к ним участков перекрытий. Стержни имеют жесткости, равные приведенным жесткостным характеристикам стен и примыкающих к ним участков перекрытий. Расчетная схема в виде перекрестной стержневой системы позволяет приближенно учитывать пространственный характер работы здания и рекомендуется для определения усилий взаимодействия между основанием и зданием высотой до 9 этажей с несущими продольными и редко или нерегулярно расположенными поперечными стенами.

3.14. В рамных расчетных схемах стена здания рассматривается как многоэтажная многопролетная рама. Стойками рамы являются простенки, а ригелями — перемычки с учитываемыми в расчете частями перекрытий (рис. 3.2, а).

Рис. 3.2. Стержневые системы

а — рамная; б, в — модели участка повышенной жесткости; г — решетчатая; 1 — участок повышенной жесткости; 2 — жесткие траверсы ( EI = \infty ; EF = 0); 3 — шарнир; 4 — фрагмент стены

Глухие участки стен моделируются стержнями повышенной жесткости (рис. 3.2, б) либо уточненной моделью стержневой системы (рис. 3.2, в).

Рамные расчетные схемы рекомендуется применять, как правило, для расчета отдельных стен здания.

3.15. Отдельные стены здания или его элементы (панели) могут быть рассчитаны по решетчатой расчетной схеме, представляющей собой систему вертикальных, горизонтальных и наклонных стержней, шарнирно соединенных между собой в узлах (рис. 3.2, г).

Жесткости отдельных стержней, заменяющих сплошную стену, определяются на основе зависимостей, полученных из условий равенства деформаций исходной и заменяющей системы.

Плитные и пластинчато-стержневые системы

3.16. Конструктивные решения панельных зданий хорошо описываются расчетными схемами с использованием двумерных (плит и пластин) и одномерных (стержней) расчетных элементов.

Для определения усилий взаимодействия зданий, имеющих сложное очертание в плане, с искривленным основанием, рекомендуется расчетная схема в виде абсолютно жесткой плиты (штампа) (рис. 3.3, а). Данная расчетная схема применима для зданий с фундаментом в виде монолитной плиты и соотношением высоты здания H к размеру в плане L — H:L \geq 1.

Рис. 3.3. Пластинчатые системы

а — жесткий штамп; б — двухслойная плита; в — плита конечной жесткости; г — пространственная схема; 1 — фундамент; 2 — здание; 3 — конечный элемент; 4 — основание; 5 — расчетный элемент; 6 — связь или контактный элемент

При расчете здания на основе заменяющей плиты с использованием программных средств целесообразно представление здания и фундаментной части в виде различных плит, объединенных в дискретных точках (узлах расчетной схемы) условиями совместности деформаций (рис. 3.3, б).

Приведенные характеристики жесткости каждой плиты определяются раздельно.

Для зданий, приведенные характеристики жесткости которых на изгиб Dx, Dy имеют конечные значения, может быть использована расчетная схема в виде ортотропной плиты на упругом основании (рис. 3.3, в).

3.17. Расчет здания в целом или отдельных его частей рекомендуется выполнять с использованием в расчетной схеме пластинчатых конечных элементов, работающих на изгиб и (или) в условиях плоского напряженного состояния (рис. 3.3, г).

Параметры жесткости конечных элементов: E — модуль упругости и \delta — толщина, принимаются по соответствующим характеристикам конструктивных элементов.

Между узлами расчетной схемы могут быть введены также расчетные элементы в виде стержней, моделирующих конструктивные элементы (пояса, пилоны) или участки перекрытий. Связи между расчетными узлами могут быть абсолютно жесткими либо податливыми.

Рассмотренная расчетная схема позволяет рассчитывать нерегулярные по длине и высоте системы, учитывать проемность, неупругие деформации материала и т.п.

3.18. При расчете систем с большим числом неизвестных могут возникать трудности реализации на ЭВМ, связанные с ограничением ресурсов ЭВМ по объему памяти, времени счета или особенностями программных средств.

Для преодоления трудностей вычислительного характера рекомендуется использовать приемы, уменьшающие объем задачи, решаемой на ЭВМ за один этап.

Рекомендуются следующие приемы:

укрупнение расчетных элементов с целью образования «суперэлементов» (рационально для конструкций, обладающих балочно-регулярной структурой); жесткостные характеристики суперэлементов могут быть найдены через приведенные характеристики жесткости либо путем определения численных матриц жесткости на основе более подробной расчетной схемы (рис. 3.3. д);

выделение из здания фрагментов или отдельных конструктивных элементов и расчет их на воздействия, найденные с использованием упрощенных расчетных схем.

Составные тонкостенные стержни

3.19. Расчет зданий повышенной этажности (более девяти этажей) с несущими стенами может выполняться по расчетной схеме, в основе которой использован вертикальный составной тонкостенный стержень (рис. 3.4). Расчетные схемы такого типа представляют собой плоскую или пространственную систему тонкостенных составных стержней и могут быть разделены на два типа:

первый тип состоит из ветвей и швов (рис. 3.4, а); ветви обладают конечной величиной осевой z и сдвиговой жесткости; швы обладают конечной величиной сдвиговой и бесконечной величиной поперечной x, y жесткости;

второй тип состоит из поясов и стенок (рис. 3.4, б); пояса обладают конечной величиной осевой z жесткости, стенки обладают конечной величиной сдвиговой и бесконечной величиной поперечной x, y жесткости.

Рис. 3.4. Системы составных тонкостенных стержней

а — составной стержень первого типа; б — то же, второго типа; 1 — шов; 2 — ветвь; 3 — пояс; 4 — стенка

Осевой жесткости несущих элементов (ветвей и поясов) соответствует жесткость простенков продольных и поперечных стен, а сдвиговой жесткости связей (швов и стенок) — жесткость перемычек и прилегающих участков перекрытий.

Условиями применимости вертикальных расчетных схем являются: неизменяемость контура поперечного x, y сечения здания, что соответствует абсолютной жесткости перекрытий в своей плоскости; регулярное расположение проемов по высоте здания; ступенчато-регулярное изменение по высоте характеристик жесткости расчетных элементов.

3.20. Расчет протяженных в плане зданий (вдоль осей x и y) может выполняться на основе тех же расчетных схем (см. п. 3.19), но располагаемых горизонтально.

Тогда расчетным элементам, ветвям и поясам будут соответствовать горизонтальные элементы фундаментно-подвальной и цокольной части, перемычки с примыкающими к ним участками перекрытий, железобетонные пояса.

Связевым расчетным элементам, швам и стенкам будут соответствовать простенки.

Характеристики жесткости (податливости) расчетных элементов должны определяться с учетом жесткости (податливости) конструктивных элементов связей (растворных швов и закладных деталей).

Условиями применимости горизонтальных расчетных схем являются:

неизменяемость контура поперечного (x, z или y, z) сечения здания, что соответствует абсолютной жесткости поперечных несущих стен;

регулярность расположения проемов по длине здания;

ступенчато-регулярное изменение по длине здания характеристик жесткости расчетных элементов.

Составные призматические оболочки

3.21. Расчетная схема в виде составной призматической оболочки позволяет учитывать деформации контура поперечного сечения, а также деформации поперечного сдвига.

Расчетные схемы данного вида могут быть разделены на два типа:

первый тип рассматривает составные оболочки с непрерывным законом изменения деформаций в направлении трех измерений;

для второго типа расчетной схемы принимается кусочно-линейный закон изменения деформаций в одном из направлений.

3.22. Расчетная схема первого типа представляет собой многогранную призму многосвязного контура поперечного сечения, грани которой объединены в ребрах условиями равновесия и совместности деформаций (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5. Составные призматические оболочки

а — многосвязная призма; б — схема разбивки на ПКЭ; 1 — ребра; 2 — грани; 3 — пространственный конечный элемент

Геометрические и физические характеристики плоских граней оболочки эквивалентны соответствующим параметрам несущих элементов здания с учетом податливости швов и связей.

3.23. Расчетная схема второго типа представляет собой систему пространственных тонкостенных конечных элементов (ПКЭ), объединенных в направлении z условиями равновесия (рис. 3.5, б).

В пределах ПКЭ в направлении оси z изменение деформаций принято линейным, а в направлении двух других осей x и y закон деформирования принят в виде конечных разложений в функциональный ряд.

В направлении осей x, y, z возможен учет податливости швов, конструктивных связей между ПКЭ и упругого неоднородного основания в виде дискретных связей конечной жесткости. В пределах каждого ПКЭ возможен учет проемов.

Податливость перекрытий в своей плоскости учитывается путем введения конечного элемента специального вида, отвечающего размерам и форме смежного ПКЭ.

Использование расчетных схем на основе ПКЭ значительно сокращает объем задачи, уменьшая количество решаемых уравнений и время счета на ЭВМ в десятки раз при сохранении той же точности расчета, что и на основе МКЭ.

Членение несущих конструкций здания на призматические оболочки или ПКЭ может выполняться как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

Данные расчетные схемы имеют аналогичные с составными стержнями области применения.

3.24. Для расчета зданий на оттаивающем вечномерзлом основании применяется расчетная схема первого типа в виде горизонтальной призматической оболочки многосвязного контура поперечного сечения, усиленной продольными стержневыми элементами (стрингерами), моделирующими работу железобетонных горизонтальных поясов.

При этом в уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние, должны быть введены параметры, зависящие от времени.

Комбинированные системы

3.25. Для описания сложных конструктивных решений целесообразно использование комбинированных расчетных схем.

Некоторые из таких схем, рекомендуемых для анализа распределения усилий в фундаментно-подвальной части здания, приведены на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Комбинированные расчетные схемы

а — плитно-стержневая; б — пластинчато-балочная; 1 — контактные связи; 2 — здание (EI; GF); 3 — цоколь; 4 — фундамент; 5 — основание; 6 — балочно-перекрестная система

Плитная часть фундамента может быть описана двумерными конечными элементами, цокольная часть здания представлена рамной системой, а вышележащие конструкции здания заменены балкой с приведенными характеристиками жесткости (рис. 3.6, а). В расчетной схеме на рис. 3.6, б цокольная часть здания описана конечными двумерными элементами, а ниже- и вышележащие части представлены балочной схемой с приведенными характеристиками жесткости.

Контактные связи в комбинированных расчетных схемах, моделирующие взаимодействие различных частей системы, должны учитывать конструктивное решение, деформационные характеристики материала и характер передаваемых через связи усилий.

Расчетные модели швов

3.26. В зависимости от конструктивных решений швов между панелями и возможностей программных средств, используемых для расчета, могут быть использованы различные расчетные модели швов.

Простейшей моделью шва, передающего нормальные и сдвигающие усилия, является решетчатая модель (рис. 3.7, а).

Рис. 3.7. Расчетные модели швов

а — решетчатая; б — рамная; в — контактная; г — пластинчатая; д — комбинированная; 1 — конечный элемент конструкции; 2 — конечный элемент шва; 3 — контактный элемент

Связи имеют только осевую жесткость EF, соответствующую жесткости шва на участке b.

Возможна также рамная модель шва (рис. 3.7, б), элементы которой имеют жесткости EF, EI, соответствующие участку шва b.

Обе схемы имеют ограничения: размер шва a должен быть соизмерим с размером участка b; передача усилий в шве осуществляется в дискретных узлах.

При малых размерах шва a целесообразно применение контактных расчетных элементов, для которых задаются погонные величины жесткости в любом из трех направлений: Kx, Ky, Kz (рис. 3.7, в).

Непрерывный характер передачи усилий в шве можно учесть с помощью пластинчатой модели шва (рис. 3.7, г). При малой ширине шва а и для сохранения соотношений конечных элементов шва b:c ~= 1 конечные элементы шва выводятся из плоскости основных несущих элементов.

При необходимости получения раздельных групп усилий взаимодействия в шве целесообразно применение комбинированных моделей (рис. 3.7, д).

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБОБЩЕННЫХ УСИЛИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ ЗДАНИЙ

РАСЧЕТ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ

4.1. Воздействие горизонтальных деформаций основания (величины их определяются по рекомендациям гл. 2) в силу наличия трения грунта по подошве и заглубленным боковым поверхностям фундаментов, а также нормального давления сдвигающегося грунта на заглубленную часть фундаментов вызывает в конструкциях здания появление усилий.

Просадочные грунты

4.2. Суммарное горизонтальное растягивающее усилие № в рассчитываемом фундаменте, вызванное горизонтальными перемещениями грунта при просадке от собственного веса (рис. 4.1), определяется по формуле

N = Nт + Nтп + Nб + Nд, (4.1)

где Nт и Nтп — усилия, вызванные трением сдвигающегося грунта в продольном направлении по подошве рассчитываемого фундамента Nт и по подошве фундаментов, примыкающих к рассчитываемому, и передающиеся на рассчитываемый фундамент Nтп;

Nб — усилие, вызванное силами трения грунта по заглубленным боковым поверхностям рассчитываемого фундамента;

Ng — усилие, вызванное нормальным давлением сдвигающегося грунта на фундаменты, примыкающие к рассчитываемому.

Рис. 4.1. Схема сил, передающихся на фундаменты под влиянием горизонтальных перемещений грунта при просадке его от собственного веса

а — план фундаментов; б — продольный разрез фундаментов; 1 — силы трения по подошве фундаментов продольных стен; 2 — то же, поперечных стен, примыкающих на участке lт; 3 — силы трения по заглубленным боковым поверхностям фундаментов; 4 — эпюры нормального давления сдвигающегося грунта на поперечные стены

4.3 Усилие Nт находится по формуле

N_{\text{т}} = 100\epsilon ql_{\text{т}}tg\mu, (4.2)

где \epsilon — расчетное относительное горизонтальное перемещение, определяемое по формуле (2.37), максимальное значение которого принимается \epsilon_{max} = 10\text{мм}/\text{м} ;

q — расчетная нагрузка на единицу длины подошвы рассчитываемого фундамента с коэффициентом перегрузки n = 1, тс/м;

lт — длина участка здания, м, на который передаются горизонтальные перемещения;

tg\mu — коэффициент трения фундамента по грунту, принимаемый приближенно для уплотненных суглинков 0,4 и супесей 0,45 в водонасыщенном состоянии (при G \geq 0,8).

Длина lт зависит от протяженности здания или его отсека L, полудлины криволинейного участка просадки, грунта от собственного веса r и принимается:

(4.3)

4.4 Усилие Nтп определяется по формуле

N_{\text{тп}} = \sum_{i = 1}^{n} N_{\text{тп}i}, (4.4)

где Nтпi — усилие, передаваемое на рассчитываемый фундамент от примыкающей i-той стены, определяется по формуле (4.5);

n — количество стен, примыкающих к расчетной в пределах участка lт,

N_{\text{тп}i} = 100\epsilon q_{\text{п}}l_{\text{п}}tg\mu, (4.5)

где qп — нагрузка на 1 м длины подошвы фундамента примыкающей n-й стены;

lп — длина фундамента, примыкающего к рассчитываемому.

4.5 Усилие Nб принимается равным:

N_{\text{б}} = 100\epsilon\text{с}_{\text{з}}F, (4.6)

где cз — удельное сцепление грунта обратной засыпки с заглубленной поверхностью фундамента, принимаемое для лессовидных супесей 0,2 тс/м2, суглинков 0,3 тс/м2;

F — площадь поверхности заглубленной в грунт части фундамента, м2, на участке длиной lт (включая и площадь подошвы фундамента).

4.6 Усилие Ng, передающееся на рассчитываемый фундамент от примыкающих стен, определяется по формуле

N_{\text{д}} = \sum_{i = 1}^{n} N_{\text{д}i}, (4.7)

где n — количество стен, примыкающих к расчетной стене в пределах участка lт;

Nдi — усилие от i-той примыкающей стены, принимается равным:

N_{\text{д}i} = \gamma_{I}\prime_{I} \frac{h_{i}^{2}}{2} l_{\text{п}}tg^{2}(45^{o} + \frac{\varphi^{\text{н}}}{2}), (4.8)

где \gamma_{I}\prime_{I} — объемный вес грунта обратной засыпки в водонасыщенном состоянии при G \geq 0,8, принимается равным 1,9 тс/м3;

hi — заглубление фундамента, м, рассматриваемой примыкающей стены;

\varphi^{\text{н}} — угол внутреннего трения грунта обратной засыпки, определяется по табл. 4.1 при плотности \gamma_{\text{ск}} = 1,55\text{тс}/\text{м}^{3} и G \geq 0,8;

lп — см. формулу (4.5).

Таблица 4.1

4.7. Определяется суммарное горизонтальное усилие Nп.с в рассчитываемом фундаменте, соответствующее предельному сопротивлению грунта на сдвиг,

N_{\text{пс}} = F_{\text{п}}(p_{cp}tg\varphi^{\text{р}} + c^{\text{р}}), (4.9)

где Fп — площадь подошвы фундаментов расчетной стены и участков примыкающих к ней стен на длине lт;

pср — средняя величина расчетного давления на основание, тс/м2, под подошвой фундамента;

\varphi^{\text{р}} , cр — расчетные значения соответственно угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта, определяемые по табл. 4.1 в зависимости от величины объемного веса скелета уплотненного грунта при полном его водонасыщении, G \geq 0,8.

За расчетную величину суммарного горизонтального усилия, возникающего в фундаменте, принимается минимальная величина, получаемая из выражений (4.1) и (4.9).

4.8. В случае решения фундаментно-подвальной части зданий по податливой конструктивной схеме суммарное горизонтальное усилие N, передающееся на конструкции, расположенные выше шва скольжения, определяется по формуле

N = Nт + Nтп + Nб + Nд, (4.10)

где Nт — усилие, вызванное трением конструкций фундамента по шву скольжения при сдвиге фундаментов, определяется по формуле (4.11);

Nтп — усилие от трения при сдвиге фундаментов по шву скольжения под примыкающими стенами и передающееся на конструкции фундамента рассчитываемой стены, определяется по формуле (4.12);

Nб, Nд — обозначения те же, что и в формуле (4.1), определяются по формуле (4.6), (4.7), в которых принимается величина заглубления от уровня поверхности грунта до отметки шва скольжения.

4.9 Усилие Nт определяется по формуле

Nт = m1qlтf, (4.11)

где f — коэффициент трения по шву скольжения, принимаемый по табл. 4.2,

m1 — коэффициент условий работы, учитывающий неполное развитие силы трения по шву скольжения, принимается по графику рис. 4.2 в зависимости от lт.

Таблица 4.2

Рис. 4.2. График коэффициента m1

Усилие Nтп определяется по формуле

N_{\text{тп}} = m_{1}\prime \sum_{i = 1}^{n} N_{\text{тп}i}, (4.12)

m_{1}\prime — коэффициент, учитывающий неполное развитие силы трения по шву скольжения, принимается по табл. 4.3 в зависимости от количества примыкающих стен на длине участка lт;

n — количество стен, примыкающих к расчетной в пределах участка lт.

Таблица 4.3

Nтпi = qпlпf. (4.13)

Обозначения в формуле (4.13) те же, что и в формулах (4.5) и (4.11).

Пример 4.1. Определить усилие в фундаменте продольной наружной стены (по оси A) девятиэтажного дома серии 96 при следующих условиях.

Источник замачивания расположен за пределами плана здания; мощность просадочной толщи H = 18 м; в основании здания — уплотненный грунтовый слой лессовидной супеси, характеризуемый объемным весом скелета \gamma_{\text{ск}} = 1,6\text{тс}/\text{м}^{3} ; среднее давление на грунт под подошвой фундамента pср = 20 тс/м2; максимальная величина просадки грунта от собственного веса S_{\text{пр}.\text{гр}}^{\text{м}} = 0,5\text{м} ; глубина заложения фундамента от уровня планировки h = 2 м; заглубление фундамента поперечных примыкающих стен от уровня пола hi = 1 м. План фундаментов здания схематично представлен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема плана фундаментов к примеру расчета 4.1

Для расчета принимаем из табл. 4.1 следующие характеристики грунтов основания:

удельное сцепление cн = 2,5 и cр = 1,7 тс/м2;

угол внутреннего трения \varphi^{\text{н}} = 24 и \varphi^{\text{р}} = 24\text{град} ;

коэффициент трения фундамента по грунту tg\mu = 0,45 ;

удельное сцепление грунта обратной засыпки с поверхностью фундамента cз = 0,2 тс/м2.

По формуле (2.28) определяем полудлину криволинейного участка просадки грунта от собственного веса, в которой принимаем для лессовидной супеси величину

(0,5 + m_{\beta}tg\beta) = 1,55.

r = 18·1,55 = 27,9 ~= 28 м.

Относительное горизонтальное перемещение поверхности основания вычисляется по формуле (2.37)

\epsilon = 0,66(\frac{0,5}{27,9} - 0,005) = 8 \cdot 10^{- 3}.

Длина участка здания lт, на котором передаются горизонтальные перемещения, будет равна:

при l_{\text{т}} = \frac{r}{4} = \frac{28}{4} = 7. \frac{r}{2} = \frac{28}{2} <22,8

Определяем усилия в фундаментной части рассчитываемой стены.

По формуле (4.2)

Nт = 100·8·10-3·20·1,2·7·0,45 = 60,48 тс.

По формулам (4.4) и (4.5) при n = 2

Nтп = 2·100·8·10-3·20·1,2·2,25·0,45 = 38,88 тс.

По формуле (4.6) при F = 28 м

Nб = 100·8·10-3·0,2·28 = 4,5 тс.

По формулам (4.7) и (4.8) при n = 2

N_{\text{д}} = 2 \cdot 1,9 \frac{1}{2} 2,25tg^{2}(45 + \frac{23}{2}) = 9,4\text{тс}.

По формуле (4.1) определяем суммарное горизонтальное усилие, действующее на фундамент продольной наружной стены,

N = 60,48 + 4,5 + 38,88 + 9,4 = 113,26 тс.

Суммарное горизонтальное усилие в фундаменте, соответствующее предельному состоянию грунта на сдвиг, определяем по формуле (4.9), в которой:

Fп = 7·1,2 + 1,2·2·2,25 = 13,8 м2;

Nп.с = 13,8(20·tg21 + 1,7) = 129,42 тс.

Из расчета получено, что N < Nп.с, следовательно, за расчетную величину горизонтального усилия, на которую необходимо конструировать фундамент продольной стены, следует принимать N = 113,26 тс.

Подрабатываемые территории

4.10. Суммарное усилие, действующее на здание и вызванное горизонтальными деформациями грунта при подработке, определяется в соответствии с рекомендациями разд. 6 Руководства [1].

РАСЧЕТ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ

Обобщенные жесткостные характеристики здания

4.11. Обобщенные жесткостные характеристики при изгибе EI и сдвиге GF для отдельных стен или здания в целом высотой до пяти этажей рекомендуется определять в соответствии с рекомендациями Руководства [1].

Для зданий выше пяти этажей, а также для уточнения величин жесткости, полученных из расчета по Руководству [1], жесткостные характеристики рекомендуется определять из расчета здания с использованием строгих расчетных схем в соответствии с указаниями пп. 5.16 - 5.18 настоящего Руководства.

Общий случай расчета зданий

4.12. Изложенная в настоящем разделе методика дана для общего случая расчета зданий в особых грунтовых условиях, когда учитываются переменные по длине жесткостные характеристики здания, переменная жесткость основания, произвольные оседания поверхности основания и нелинейная деформируемость грунта.

Здание для расчета приводится к одномерной системе — балке с переменными по длине жесткостными характеристиками. Балка, покоящаяся на произвольно искривленном основании переменной жестокости, делится на n участков равной длины a (рис. 4.4), где число n назначается в зависимости от требуемой точности результатов расчета. Точки разбиения располагаются таким образом, чтобы можно было учесть характерные особенности приложения внешней нагрузки, эпюры коэффициента жесткости основания C(x), его искривления y(x), а также изменения изгибной EI(x) и сдвиговой GF(x) жесткости балки.

Рис. 4.4. К расчету балки на упругом искривленном основании

а — схема деления балки на участки; б — эпюра коэффициента жесткости; в — деформация балки на искривленном основании

В точках 1, 2, ..., n определяются приведенные интенсивности q(x) внешней нагрузки. При наличии распределенной нагрузки g(x) приведенная интенсивность q(x) = g(x); сосредоточенные силы приводятся к эквивалентным распределенным нагрузкам.

Внешние нагрузки на балку подсчитываются в соответствии с рекомендациями гл. 3 настоящего Руководства.

В точках 1, 2, ..., n в направлении от левого конца балки к правому определяются значения изгибающих моментов Miв и поперечных сил Qiв от внешней нагрузки, принимая положительным направление сил вверх.

Расчет здания производится по приведенному в данном разделе алгоритму с учетом указаний пп. 4.13, 4.14.

В результате расчета определяются величины обобщенных изгибающих моментов, поперечных сил, реактивного отпора основания и осадок здания.

4.13. При рассмотрении модели основания в виде линейно-упругой системы (п. 2.5) с помощью приведенного алгоритма решается линейно-упругая задача, для которой значения коэффициентов жесткости C и искривления основания y берутся из эпюр C(x) и y(x) в точках 0, 1, 2, ..., n. Эпюра C(x) строится на основании зависимости

C(x) = pср/S(x).

Если в результате решения линейно-упругой задачи величины нормальных напряжений p на отдельных участках контакта основания с фундаментом не удовлетворяют условиям

0,5pн \leq p \leq 1,5R или p < 0,5pн, p > 1,5R (4.14)

на участке F \leq 0,2Fр, то дальнейший расчет рекомендуется производить с использованием нелинейно-неупругой системы.

В формулах (4.14) приняты следующие обозначения:

pн — начальное давление сооружения на основание, действующее до появления смещений поверхности основания;

R — расчетное давление на основание, определяемое согласно требованиям главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений;

F — площадь контакта основания с фундаментом, на котором допускается превышение напряжений p;

Fр — площадь контакта основания с фундаментом, на котором появляются нормальные напряжения.

4.14. При рассмотрении нелинейно-неупругой системы решается нелинейно-неупругая задача путем многократного решения линейно-упругих задач с последовательно меняющимися жесткостными характеристиками основания. При этом учитываются нелинейная связь между деформациями и нагрузками на основание, различие в деформационных свойствах основания при нагружении и разгрузке, несущая способность основания, а также возможность нарушения контакта между фундаментом и основанием.

Последовательность решения нелинейно-неупругой задачи с использованием приведенного ниже алгоритма расчета балки на упругом основании следующая.

В нулевом приближении решается линейно-упругая задача. Рассматривается балка на неискривленном основании, находящаяся под действием внешней нагрузки (вес стены, здания и т.п.). Эпюра коэффициентов жесткости, используемых в нулевом приближении, строится на основании зависимости

\text{С}^{0}(x) = \frac{p_{\text{ср}}}{S(x)} , (4.15)

где pср — среднее давление под подошвой фундамента на основание;

S(x) — осадка фундамента (балки) относительно поверхности основания от внешней нагрузки, определяется в соответствии с указаниями прил. 3 главы СНиП II-15-74.

Последовательность вычислений при решении этого приближения соответствует алгоритму. Однако следует иметь в виду, что в правой части уравнений (табл. 4.4) необходимо принять величины смещения поверхности основания yi равными нулю.

Таблица 4.4