Строительство в условиях техногенных отложений, на подрабатываемых территориях, при динамических нагрузках

Тема 3. Строительство в условиях техногенных отложений, на подрабатываемых территориях, при динамических нагрузках.

3.1 Строительство в условиях техногенных отложений.

Такие грунты образуются в результате деятельности человека. Они обычно неоднородны по составу, обладают неравномерной сжимаемостью, невыдержанны по толщине и простиранию. Часто насыпные грунты включают органику, при разложении которой возникают дополнительные осадки. В таких грунтах встречаются включения строительного и бытового мусора, обломков конструкций. Особенностью насыпных грунтов является склонность к самоуплотнению от массы вышележащих слоев грунта и от вибрации. При замачивании возможны значительные просадки.

По условиям образования насыпные грунты подразделяют на три группы: планомерно возведенные насыпи, отвалы грунтов и отходов промышленности и свалки.

Для первой группы характерен однородный состав, сравнительно высокая прочность и равномерная сжимаемость; для второй – время самоуплотнения.

Расчет по деформациям насыпных грунтов выполняют при соблюдении условий:

р ≤ R;

Рекомендуемые материалы

р_max ≤ 1,1R; р_max ≤ 1,2R.

Первое условие из нижней строки относится для отвалов и свалок, второе для всех остальных случаев. Расчетное сопротивление насыпных грунтов из планомерно возведенных насыпей, отвалов грунтов и отходов производств определяется с использованием прочностных характеристик в водонасыщенном состоянии. Предварительные размеры фундаментов зданий и сооружений, возводимых на слежавшихся насыпных грунтах, назначаются исходя из значений условного расчетного сопротивления.

Основания на насыпных грунтах проектируют с учетом:

• использования насыпных грунтов в качестве естественных оснований;

• использования насыпных грунтов в качестве оснований с применением методов подготовки оснований по снижению сжимаемости;

• прорезки насыпных грунтов свайными фундаментами.

Способы подготовки оснований.

В качестве естественных оснований могут быть использованы слежавшиеся насыпные грунты, а также отвалы грунтов из крупных песков, гравелистых и щебеночных грунтов. Свалки грунтов и отходов производств могут быть использованы в качестве естественных оснований только для временных зданий.

Основными методами подготовки оснований на насыпных грунтах являются:

· поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками;

· вытрамбовывание котлованов;

· устройство подушек;

· поверхностное уплотнение вибрационными машинами;

· глубинное уплотнение пробивкой скважин, прорезка насыпных грунтов глубокими фундаментами.

Нередко производится неорганизованная засыпка оврагов грунтом, бытовым мусором, промышленными отходами. Строить на этих площадках не рекомендуется. При необходимости можно применять длинные забивные или буронабивные сваи с опиранием на естественный грунт. Однако при этом возможно проявление отрицательного трения в сваях.

В случае организованной засыпки грунта или его намыва технология работ часто нарушается. Кроме того, деформативные и прочностные характеристики грунта засыпки (намыва) и расположенного за пределами оврага различаются. Будет происходить процесс самоуплотнения засыпанного грунта. Рекомендуемыми фундаментами являются свайные с монолитным железобетонным ростверком.

В зданиях следует предусмотреть конструктивные мероприятия, повышающие жесткость. К примеру, в кирпичных необходимо предусмотреть монолитные железобетонные пояса или армоцементные швы.

3.2 Особенности работы конструкций при динамических нагрузках.

В ряде случаев железобетонные конструкции могут воспринимать динамические нагрузки, вызванные аварийными или производственными взрывами, порывами ветра, малоцикловыми перегрузками, технологическими импульсными нагрузками и т.д. Возникающие в конструкциях напряжения и деформации больше, чем при статическом их приложении.

В то же время прочностные показатели бетона и арматуры оказываются выше, чем при статическом нагружении. Вследствие этого требуется всесторонняя оценка, как параметров нагрузки, так и механических свойств материалов.

Поведение конструкций зависит от скорости деформации ε^/= dε/dt и скорости нагружения σ^/=dσ/dt. С увеличением ε^/ предел текучести стали σ_yd растет. Отмечено удлинение площадки текучести (при скоростях в 50 … 100 раз превосходящих скорости при стандартных испытаниях).

Динамический предел текучести σ_yd чаще всего определяется умножением статического предела текучести σ_y на коэффициент динамического упрочнения:

σ_yd = k_d σ_y,

где k_d = y_d/y_s; y_d – динамические деформации; y_s – прогиб от статической нагрузки.

При σ > σ_y наблюдается эффект запаздывания пластической деформации. Для определения прогибов элементов в любой стадии напряженно деформированного состояния необходимо находить усилия и жесткости элемента в различных сечениях. Если для I стадии жесткость изгибаемого элемента постоянна по его длине и эпюра прогибов 1/ρ = M_I / В_I плавная и повторяет эпюру моментов, то для II стадии в средней части блока, где происходит трещинообразование, жесткость ступенчато снижается, а эпюры прогибов ступенчато возрастают. В нормально армированных элементах прочность исчерпывается вследствие разрушения сжатой зоны после начала текучести растянутой арматуры. Интенсивность сил сцепления между арматурой и бетоном изменяется по длине балки и зависит от деформации арматуры в сечении с трещиной.

Изгибаемые железобетонные элементы, армированные сталями с площадкой текучести, рассчитывают с использованием билинейной или полигональной диаграмм текучести.

3.3 Строительство на подрабатываемых территориях.

Принципы расчёта и проектирования.

При разработке полезных ископаемых подземным способом в грунтовом массиве остаются полости, а на поверхности – чашеобразные впадины (мульды сдвижения). Размеры мульды зависят от размеров выработки, толщины пласта, глубины разработки, физико-механических свойств грунта. Деформации земной поверхности бывают в виде провалов, трещин, уступов с трещинами, плавных оседаний. Параметрами мульды оседания являются: вертикальная составляющая прогиба поверхности η; горизонтальные сдвижения ξ; относительные горизонтальные деформации, равные отношению разности горизонтальных сдвигов двух точек мульды к расстоянию между ними ξ_h; наклоны, равные отношению разности оседания двух точек мульды к расстоянию между ними i; радиус кривизны R; кривизна мульды сдвижения k.

Подрабатываемые территории подразделяются на четыре группы (табл. 9.1).

Пригодными для строительства считаются участки вне зон возможного образования провалов, затопления атмосферными осадками и подземными водами, выходов тектонических нарушений, возможного образования оползней. Под действием смещений в конструкциях появляются трещины, перекосы, расстройства соединений. Показателем суммарной деформации является величина

Δl_Σ = Δl_ε + Δl_K (ε_h + H/R) z, (9.1)

где Δl_ε и Δl_K – компоненты суммарных деформаций от воздействия относительных горизонтальных деформаций и искривления земной поверхности; z и H – длина и высота здания.

Конструктивные мероприятия.

Основной конструктивной мерой защиты здания от влияния горных выработок является их разделение деформационными швами на самостоятельно работающие отсеки. В бескаркасных жилых зданиях устанавливают парные поперечные стены, в каркасных – парные рамы.

Эффективной мерой защиты бескаркасных зданий является устройство фундаментных, цокольных и поэтажных замкнутых железобетонных поясов. Фундаменты испытывают сложное напряженное состояние, складывающееся из изгиба, сдвига, кручения и растяжения – сжатия. Наиболее надежными являются монолитные и сборно-монолитные фундаменты (например, в виде перекрестных балочных систем) или плитные.

Здания или сооружения проектируют по жесткой, податливой или комбинированной конструктивным схемам. В основе первой схемы лежат условия обеспечения прочности и жесткости всех несущих элементов, включая фундамент, при воздействии дополнительных усилий от сдвижения земной поверхности. При ленточных фундаментах устраиваются железобетонные пояса жесткости; при столбчатых фундаментах – связи-распорки между ними.

Проектирование при податливой схеме заключается в обеспечении податливости и гибкости подвально-фундаментной части, достаточной для возможности ее смещения вслед за перемещениями основания без появления в конструкциях значительных усилий. В конструкциях подвальной части применяют швы скольжения и наклоняющиеся фундаменты. Допускается использование ослабленных ограждающих конструкций, которые затем могут быть заменены. Швы скольжения обеспечивают смещение фундаментов относительно надфундаментной конструкции. Это позволяет снизить усилия в несущих конструкциях при движениях оснований. Такие швы выполняют из двух слоев рубероида с прослойкой. В качестве конструктивной меры защиты является разрезка зданий на замкнутые отсеки деформационными швами. В ряде случаев целесообразно применение фундаментов в виде сплошных железобетонных плит, перекрестных плит, балок-стенок.

Давление грунта на фундаменты может быть значительным. Его уменьшают путем: устройства временных компенсационных траншей по периметру здания, заполняемым малопрочным или рыхлым грунтом (глубина траншей на 15 … 20 см ниже подошвы фундамента); назначения одинаковой и минимально возможной глубины заложения фундаментов в пределах отсека. Если прогнозируемые деформации превышают допустимые для здания, то предусматривают мероприятия по выравниванию фундаментов в процессе эксплуатации. Проемы для размещения домкратов располагают в углах здания и в местах пересечения стен, а также на их прямолинейных участках.

Каркасные здания на неравномерно деформируемых основаниях проектируют по предельным перемещениям конструкций.

Бесплатная лекция: "6 Аудит собственного капитала кредитной организации" также доступна.

Расчет производится по комплексной схеме: основание-фундамент-верхнее строение. Используются следующие деформационные критерии: предельная сжимаемость бетона, предельная растяжимость стали, предельная кривизна нейтральной оси элемента.

Предельными являются такие перемещения, при которых хотя бы в одном сечении реализуются деформационные критерии. Учитывается нелинейность диаграмм работы материала и грунта, деформированная схема системы, переменные траектории нагружения и др.

Неравномерные деформации основания (просадка, набухание, карстовые провалы и др.) или влияние подземных горных выработок являются особыми нагрузками на здания. Особые сочетания нагрузок включают эксплуатационную и особую нагрузку от неравномерных деформаций основания.

Целью расчета является определение допустимых величин неравномерных деформаций для заданных конструктивных параметров (размеры и глубина заложения фундамента, сечение колонн и балок, площадь сечения арматуры, класс бетона и стали и др.) и эксплуатационных нагрузок. Наибольшую приспособляемость к неравномерным деформациям основания имеют здания с минимальной жесткостью. Следует учитывать и увеличение жесткости материалов при определенных траекториях переменного нагружения. Усиление жесткости конструкций за счет переменного характера нагружения может достигать 30 % ее уменьшения за счет физической нелинейности работы материалов.