Фундаменты при динамических воздействиях динамические воздействия

Geotekhnika_2_Lektsia / Лекции / Курс лекции МГОФ / ОиФ / № 27 Фундаменты при динамических нагрузках

Явления в грунте при динамических воздействиях.

1.1. Распространение колебаний в массиве грунта

Величина распространения колебаний в грунте зависит от источника колебаний и состояния среды.

Любое сооружение, попавшее в зону вибрации, начинает само вибрировать. Опасны резонансные явления, т.е. совпадение собственных частот колебаний с вынужденными колебаниями в грунтовой среде.

В большей степени характерно для песчаного грунта.

В общем случае S = S _стат. + S _динам.

S _динам. — может быть упругой или (упругой + остаточной), в зависимости от вида динамического воздействия.

1.3. Разжижение водонасыщенных песков

При динамических воздействиях грунтовая вода будет то вытесняться из пор, то засасываться, переходя в колебательные движения.

Если скорость движения воды будет создавать гидродинамический напор равный весу частиц песка, то песок будет испытывать взвешивающие действие воды, переходя в плывунное состояние.

При взрывных работах на расстоянии 200 м от плотины, водонасыщенный песок плотины перешел в плывунное состояние. Сооружение потеряло устойчивость, т.к. угол откоса грунта составил всего 4 .

Тиксотропные явления (характерны для глинистого грунта)

При динамических воздействиях происходит нарушение структуры глинистых грунтов, с уменьшением характеристик С, Е₀.

При снятии динамических нагрузок глинистый грунт может вновь восстанавливать прежнюю структуру, т.е. проявляет тиксотропные свойства (выполнение стены в грунте под глинистым тиксотропным раствором).

Виды динамических воздействий

2.1. Сейсмические воздействия.

При землетрясении, в результате осадки, песчаная толща увлекла за собой сваи, вдавив их в подстилаемую глинистую толщу (явление отрицательного трения).

Осадка сооружения превысила все допустимые величины.

2.2. Динамические воздействия от движения транспорта.

При движении тяжелого транспорта (железнодорожные, трамвайные пути) создается вибрационный фон, который передаваясь по грунтовой среде, оказывает негативное воздействие на здания, сооружения. Вибрационные воздействия от движущегося транспорта могут превышать допустимый уровень вибрации по санитарным нормам проживания людей в здании.

2.3. Забивка свай.

В соответствии со строительными правилами забивка свай в городах на расстоянии ближе 30 м от существующей застройки запрещена.

При динамических воздействиях пески уплотняются, разжижаются.

Глины проявляют тиксотропные свойства.

Работа машин, механизмов. (Строительство промышленных объектов, где возможны динамические воздействия: молоты, прессы, компрессоры, фундаменты пилорам и т.д.).

Особенности устройства фундаментов в сейсмических районах.

В России существует 12 бальная сейсмическая шкала. До семи бальная сейсмичность воспринимается обычными зданиями, сооружениями без принятия каких-либо дополнительных мер по усилению несущих конструкций.

Расчетной является сейсмичность в 7, 8, 9 баллов.

При сейсмичности свыше 9 баллов строительство не рекомендуется и только в исключительных случаях возможно при разработке специальных мероприятий.

Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.

Во многих районах выполнено микросейсмирование (повышение или понижение сейсмичности на 1 балл, которое санкционируется Госстроем).

Пример: Район с сейсмичностью 8 баллов.

При строительстве зданий необходимо:

Фундаменты сооружения закладывать на одной отметке (более равномерное распределение сейсмических сил).

Здание делить на отсеки.

Фундаменты делать монолитными или омоноличивать (перекрестные ленты, сплошные фундаменты).

Свайные фундаменты рассчитывать на горизонтальную нагрузку. При этом преимущество имеют сваи – стойки, а головы свай должны быть надежно заделаны в ростверк.

— коэффициент снижения несущей способности

4. Фундаменты под машины.

Основные требования к фундаментам:

Фундаменты должны обеспечить стабильную работу машины, механизма, расположенного на нем.

Динамические воздействия от машин не должны угрожающе влиять на фундаменты зданий, сооружений.

Воздействие машин и механизмов можно разделить на следующие виды:

Машины и механизмы с уравновешивающим воздействием. (Обычно вращательного типа: эл. моторы, центробежные насосы и т. п. – динамические воздействия возникают в пусковой период или из-за износа отдельных частей).

Машины и механизмы с не уравновешивающим воздействием. (Поступательно-вращательное движение – поршневые насосы, пилорамы, компрессоры, двигатели внутреннего сгорания). Наиболее опасно – совпадение частот колебаний с собственными частотами сооружений (резонансные явления).

Ударного действия. (Молоты, быстродействующие прессы, копры и т. д.).

Прочие. (Станы, станки и т. д.).

Фундаменты проектируются из условия ограничения амплитуды колебания системы: машина + фундамент.

А_доп = 0,1…0,3 мм – предельно допустимые амплитуды колебаний, назначаются в зависимости от вида машины, её обслуживания, возможности без опасной работы человека.

В первом приближении, при условии совмещения ц.т. фундамента и машины, данную систему можно принять за 1 материальную точку. Тогда, в плоской постановке данная система будет иметь 3 вида колебаний:

— вертикальное; горизонтальное и вращательное.

а). Если определяющими являются вертикальные колебания, то дифференциальное уравнение колебаний может быть записано следующим образом:

При решении данного уравнения получим амплитуду вертикальных колебаний

где Р_z – вертикальная составляющая возмущающих сил;

К_z – коэффициент жёсткости основания при упругом равномерном сжатии [т/м]; К_z = С_z x F

C_z – коэффициент упругого равномерного сжатия [т/м 3 ] (табл. СНиП);

m – масса фундамента и машины;

 — угловая скорость (частота) [рад./сек].

б). При горизонтальной возмущающейся силе (в случае распластанного фундамента, L/h > 3), будем иметь:

К_x = C_x x F — коэффициент жёсткости основания при сдвиге фундамента по подошве;

С_x = 0,7 С_z – коэффициент упругого равномерного сдвига.

в). При горизонтальной возмущающейся силе (в случае высокого фундамента L/h Соседние файлы в папке ОиФ

#

Источник

Раздел 9. Фундаменты при динамических воздействиях

9.1. Фундаменты под машины с динамическими нагрузками.

Машины периодического действия делятся на три подгруппы: с равномерным вращением (электродвигатели, моторогенераторы, турбогенераторы, роторы и др.); с равномерным вращением и связанным с ним возвратно – поступательным движением (компрессоры, насосы, двигатели внутреннего сгорания, лесопильные рамы и др.); с возвратно поступательным движением, завершающимся непрерывно следующими один за другим ударами (встряхивающие и вибрационно-ударные машины).

Машины непериодического действия также делятся на три подгруппы: с неравномерным вращением или возвратно-поступательным движением (приводные электродвигатели прокатных станов, генераторы разрывных мощностей и др.); с возвратно-поступательным движением, завершающимся отдельными ударами (молоты ковочные и штамповочные, копровые устройства и др.); с давлением, вызывающим перемещения обрабатываемого материала и передающим на фундамент случайные нагрузки (мельничные установки).

9.1.2. Виды фундаментов под машины с динамическими нагрузками

1) массивные, бетонные или железобетонные для всех видов машин;

2) рамные, сборные или сборно-монолитные, представляющие собой ряд поперечных рам, которые опираются на нижнюю плиту или на ростверк и связаны поверху между собой продольными балками, либо верхнюю плиту, которая опирается на стойки, заделанные в нижнюю плиту, или на сваи-колонны;

3) стенчатые в виде поперечных или продольных стен, опирающихся на нижнюю плиту или на ростверк и связанных между собой поверху ригелями или плитой.

Сборно-монолитные и сборные фундаменты допускается устраивать главным образом для машин периодического действия, не допускается для машин с импульсными ударными нагрузками.

9.1.3. Расчёт оснований таких фундаментов.

По первой группе предельных состояний выполняется:

1) проверка среднего статистического давления под подошвой для фундаментов на естественном основании или несущей способности основания для свайных фундаментов; эта проверка производится для всех без исключения типов машин

где среднее давление на основание под подошвой фундамента от расчётных статических нагрузок (вес фундамента, грунта на его обрезах, машины и вспомогательного оборудования с коэффициентом перегрузки n=1); коэффициент условий работы грунтов основания, учитывающий характер динамической нагрузки и ответственность машины; коэффициент условий работы грунтов основания, учитывающий возможность возникновения длительных деформаций при действии динамических нагрузок; расчётное сопротивление грунта.

где несущая способность грунтов основания одиночной сваи; несущая способность сваи в статических условиях, определяемая в зависимости от вида сваи и грунтовых условий; и коэффициенты условий работы грунтов основания, принимаемые в зависимости от грунтовых условий;

2) расчёт прочности отдельных элементов конструкции фундамента; расчёт производится для отдельных, подвергающихся действию динамических нагрузок элементов рамных и стенчатых фундаментов (стоек и ригелей рам, балок, плит, консольных выступов), фундаментов плитного и балочного типа, а также отдельных сечений массивных фундаментов, ослабленных отверстиями и выемками (по СНиП «Бетонные и железобетонные конструкции»).

Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний включает:

1) определение амплитуд колебаний фундаментов или отдельных их элементов; расчёт производится в соответствии со СНиП «Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Нормы проектирования» и является определяющим при проектировании фундаментов машин с динамическими нагрузками

где наибольшая амплитуда колебаний верхней грани фундамента, рассчитываемая для определённого типа фундамента под машины; предельно допустимая амплитуда колебаний, определяемая по СНиП 2.02.05-87;

2) определение осадок и деформаций (прогибов, крена и т.п.) фундаментов или их элементов; эти расчёты выполняются в отдельных случаях для ответственных сооружений и при наличии требований, ограничивающих перемещения и деформации фундаментов (по СНиП 2.02.01-83).

9.1.4. Расчёт на колебания.

При назначении безопасных расстояний до объектов, чувствительных к вибрациям, уровень вибраций, распространяющихся в грунте от фундаментов машин, может быть приближенно оценен по формуле:

где амплитуда вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта на поверхности в точке, расположенной на расстоянии от оси фундамента – источника волн в грунте; амплитуда свободных или вынужденных вертикальных (горизонтальных) колебаний фундамента – источника в уровне его подошвы; ( приведённый радиус подошвы фундамента – источника, м, равный ; площадь подошвы фундамента – источника).

9.1.5. Определение упругих и демпфирующих характеристик основания для расчёта фундаментов.

Основную упругую характеристику естественных оснований фундаментов машин – коэффициент упругого равномерного сжатия , кН/м 3 , определяют экспериментально. Если нет испытаний, для фундаментов с площадью подошвы А не более 200 м 2

где коэффициент, зависящий от вида грунта; модуль деформации грунта под подошвой фундамента; м 2 .

Коэффициенты упругого неравномерного сжатия , упругого равномерного сдвига , упругого неравномерного сдвига :

; ; .

Коэффициенты жёсткости для естественных оснований:

при вертикальных поступательных колебаниях фундамента (при упругом равномерном сжатии)

;

при горизонтальных поступательных колебаниях фундамента (при упругом равномерном сдвиге)

;

при вращательных колебаниях относительно горизонтальной оси, проходящей через подошву фундамента (при упругом неравномерном сжатии)

;

при вращательных колебаниях относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента (при упругом неравномерном сдвиге)

;

где площадь подошвы фундамента; моменты инерции подошвы фундамента относительно горизонтальной и вертикальной осей.

Эти коэффициенты связывают напряжения и моменты действующие по подошве фундамента, с вызываемыми ими соответствующими упругими перемещениями: вертикальными , горизонтальными , поворотами и относительно главных горизонтальной и вертикальной осей инерции, проходящих через центр тяжести подошвы фундамента

По мере распространения колебаний в грунте происходит их затухание, которое принято оценивать коэффициентом относительного демпфирования. Относительное демпфирование доля критического затухания колебаний.

Коэффициенты относительного демпфирования: для установившихся (гармонических) и случайных колебаний

;

для неустановившихся (импульсных) колебаний

;

; ; ,

где к.о.д. при горизонтальных колебаниях; к.о.д. при вертикальных колебаниях; к.о.д. для вращательных колебаний относительно горизонтальной и вертикальной осей; среднее статическое давление на основание под подошвой фундамента от расчётных статических нагрузок при коэффициенте перегрузки, равном 1.

9.1.6. Расчёт фундамента на вынужденные колебания.

Вынужденные вертикальные колебания фундамента описываются дифференциальным уравнением

,

а вынужденные горизонтально-вращательные колебания фундамента – системой дифференциальных уравнений:

где масса установки (фундамента, машины, грунта на обрезах фундамента); момент инерции массы установки относительно оси вращения; коэффициенты демпфирования основания для вертикальных, горизонтальных и вращательных колебаний; коэффициенты жёсткости основания при упругом равномерном сжатии, равномерном сдвиге и неравномерном сжатии; соответственно вертикальные и горизонтальные смещения центра тяжести установки и угол поворота фундамента; расстояние от общего центра тяжести установки до подошвы фундамента; вертикальная и горизонтальная составляющие возмущающих сил и момент от возмущающих сил; угловая частота вращения машины.

9.1.7. Способы уменьшения амплитуд колебаний фундаментов.

Учитывая, что ограничение амплитуды колебаний ограничивает при данной частоте скорость и ускорение колебаний, при проектировании фундаментов стремятся в основном к уменьшению амплитуды. В связи с этим при вертикальных колебаниях стараются увеличить которое зависит от площади подошвы . При вертикальной возмущающей силе делают фундаменты с максимальной площадью подошвы и с минимальной массой. При горизонтальной возмущающей силе и моменте стремятся применять фундаменты малой высоты – распластанные.

9.2. Фундаменты в сейсмических районах.

9.2.1. Определение сейсмических нагрузок на фундаменты.

1) Основания сооружений, возводимых в районах с сейсмичностью 7,8,9 баллов должны проектироваться с учётом требований СНиП по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах. Если меньше 7 баллов – без учёта сейсмичности.

2) Проектирование оснований с учётом сейсмических воздействий должно выполняться на основе расчёта по несущей способности на особое сочетание нагрузок.

Предварительные размеры фундаментов допускается определять расчётом основания по деформациям на основное сочетание нагрузок (без учета сейсмического воздействия).

3) Целью расчёта несущей способности оснований при особом сочетании нагрузок является обеспечение их прочности для скальных грунтов и устойчивости для нескальных грунтов, а также недопущения сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Деформации основания при особом сочетании нагрузок с учётом сейсмических воздействий расчёту не подлежат.

9.2.2. Расчёт фундаментов и оснований на сейсмические воздействия.

Расчёт оснований по несущей способности выполняется на действие вертикальной составляющей внецентренной нагрузки, передаваемой фундаментом

где вертикальная составляющая расчётной внецентренной нагрузки в особом сочетании; вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания при сейсмических воздействиях; сейсмический коэффициент условий работы; коэффициент надёжности по назначению сооружения.

Горизонтальная составляющая нагрузки учитывается при расчёте фундамента на сдвиг по подошве. Проверка на сдвиг по подошве производится с учётом трения подошвы фундамента о грунт, но с учётом сейсмического коэффициента условий работы

При расчёте несущей способности нескальных оснований, испытывающих сейсмические колебания, ординаты эпюры предельного давления по краям подошвы фундамента определяются по формуле:

где коэффициенты формы; коэффициенты несущей способности, зависящие от расчётного значения угла внутреннего трения; и соответственно расчётные значения удельного веса грунта, находящегося выше и ниже подошвы фундамента (с учётом взвешивающего действия подземных вод); глубина заложения фундаментов; коэффициент, принимаемый равным 0,1; 0,2; 0,4 при сейсмичности площадок строительства 7,8 и 9 баллов соответственно.

Эксцентриситеты расчётной нагрузки и эпюры предельного давления определяются по формулам

;

где вертикальная составляющая расчётной нагрузки и момент, приведённые к подошве фундамента при особом сочетании нагрузок. В зависимости от соотношения между величинами и вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания принимается:

при

при >

где и размеры подошвы фундамента.

На подпорные стенки и стены подвальных помещений учитывают раздельно инерционное сейсмическое давление грунта и давление, вызванное изменением напряжённого состояния среды при прохождении в ней сейсмических волн.

Активное и пассивное давление грунта на подпорные стенки с учётом сейсмического воздействия

где коэффициент сейсмичности, принимаемый равным 0,025; 0,05; 0,1 соответственно при 7,8 и 9 баллах; угол внутреннего трения грунта при расчёте по устойчивости; соответственно активное и пассивное давления грунта при статическом состоянии.

Дополнительные горизонтальные нормальные и касательные напряжения, возникающие в грунте при прохождении сейсмических волн

где удельный вес грунта; скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн в грунте, определяемые экспериментально; преобладающий период сейсмических колебаний (обычно принимают с).

Сейсмические нагрузки прикладываемые к подпорной стенке как инерционные

где вес элемента сооружения, отнесённый к точке ; коэффициент, учитывающий допустимые повреждения зданий и сооружений; коэффициент, учитывающий конструктивные решения зданий и сооружений; – коэффициент демпфирования; коэффициент, зависящий от расчётной сейсмичности; коэффициент, соответствующий i-му тону собственных колебаний здания или сооружения; коэффициент, зависящий от формы деформации сооружения при его собственных колебаниях по i -му тону и от расстояния нагрузки до обреза фундамента.

9.2.3. Конструктивные особенности фундаментов.

Во избежание нарушения частоты собственных колебаний однородных конструкций фундаменты отдельного сооружения или отсека здания закладывают на одну и ту же глубину.

Для исключения подвижки здания по обрезу фундаментов гидроизоляцию стен выполняют из слоя цементного раствора. Применение битумной гидроизоляции не допускается.

Целесообразно колонны каркасных зданий располагать на сплошных фундаментных плитах, перекрёстных ленточных фундаментах или соединять фундамент и свайные ростверки вставками, которые исключают подвижку фундаментов относительно друг друга.

В сборных ленточных фундаментах под стены по их обрезу устраивают армированный пояс, работающий на растяжение.

В свайных фундаментах нижние концы свай опирают на плотные грунты. Непрерывный ростверк располагают на одной и той же глубине в каждом отдельном отсеке. Подпорные стенки не рекомендуется делать большой высоты.

Неблагоприятные грунты основания: пески рыхлые насыщенные водой, слабые пылевато-глинистые грунты в текучем и текучепластичном состоянии.

Источник