ГЛАВА ВОСЬМАЯ
РАСЧЕТ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОПОР В ГРУНТЕ
8-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, ЗАДАЧИ И МЕТОД РАСЧЕТА
В понятие закрепления опор в грунте входит совокупность инженерных мероприятий по выбору конструкции подземной части опор, обеспечивающей требуемую надежность их работы в процессе эксплуатации линии.
В зависимости от конструкции опоры ее закрепление может быть выполнено по-разному: для закрепления пространственных стальных опор башенного типа и стоек опор на оттяжках используются железобетонные подножники, призматические или винтовые сваи, бетонные блоки; для закрепления оттяжек опор — анкерные плиты, винтовые сваи и анкеры, призматические сваи; свободностоящие металлические узкобазные и железобетонные опоры закрепляются путем заделки нижней части непосредственно в грунт. Подземная часть опоры независимо от указанных конструктивных различий называется фундаментом, а область грунта, воспринимающая давление от фундамента, — основанием.
Основания, грунты которых используются в естественном состоянии, называются естественными. Если для повышения несущей способности производится уплотнение или упрочнение основания каким-либо из существующих способов, то оно называется искусственным. Основаниями фундаментов опор линий электропередачи в большинстве случаев служат грунты в естественном состоянии.
В зависимости от схемы закрепления давление может передаваться фундаментом на грунт, который сохранил свои естественные свойства, или на грунт, свойства которого изменились по сравнению с начальными (например, грунт обратной засыпки котлованов). Это обстоятельство должно учитываться при расчете оснований фундаментов.
Расстояние от подошвы фундамента до поверхности грунта в месте его установки называется глубиной заложения фундамента. Глубина заложения определяется расчетом, наименьшее ее значение ограничивается экономическими соображениями, а также условиями промерзания в соответствии с требованиями норм [60, 61].
В настоящей главе изложены способы расчета фундаментов в обычных песчаных и глинистых грунтах, а также способы закрепления опор на прочной скале. Вопросы проектирования и расчета фундаментов в просадочных грунтах, в районах вечной мерзлоты и районах, подверженных землетрясениям, не рассматриваются.
Проектированию фундаментов опор линий электропередачи предшествуют геологические и гидрогеологические изыскания трассы, в результате которых должны быть определены физические и механические характеристики грунтов, используемых в качестве оснований.
Проектирование закреплений опор в грунте является одним из наиболее сложных элементов строительной части линий электропередачи. Сложность его обусловлена большой протяженностью линий, а следовательно, и большим разнообразием грунтов на трассах этих линий, определение свойств которых для каждой опоры с требуемой надежностью практически не представляется возможным. На первых линиях электропередачи, когда для опор применялись массивные блоки, бетонируемые на месте, несоответствия физико-механических свойств грунта принятым при расчете мало сказывалось на надежности закрепления; кроме того, принимавшиеся при расчете коэффициенты запаса перекрывали возможные снижения прочности заделки фундамента в грунте.
Массивные подножники, применявшиеся для закреплений широкобазых опор башенного типа, в большинстве случаев собственным весом уравновешивали расчетные вырывающие нагрузки и во всех случаях уравновешивали вырывающие силы от нагрузок, действующих в среднеэксплуатационных условиях.
Поэтому массивные подножники должны были рассчитываться главным образом на внецентренное сжатие по допускаемому давлению на грунт под подошвой. Так как работа грунта под подошвой сжатых фундаментов наиболее изучена, при расчете массивных подножников никаких новых проблем практически не возникало.
Индустриализация строительства линий электропередачи, связанная с развитием энергетики и электрических сетей, вызвала необходимость применения на линиях электропередачи легких железобетонных (а в некоторых случаях металлических) подножников. Поскольку собственный вес таких подножников не уравновешивает вырывающие нагрузки, передаваемые опорами, подножники выполняются таких форм, чтобы обеспечивалось максимальное включение в работу грунта. В свою очередь, это потребовало разработки способов учета сопротивления грунтовой среды вырыванию. Одностоечные свободностоящие опоры всех видов, общее количество которых на линиях составляет 60—70%, удерживаются в рабочем положении боковым отпором грунта. Для расчета их закреплений разработана специальная методика.
Широко применяемые в настоящее время в качестве фундаментов опор различного вида сваи должны воспринимать как сжимающие, так и вырывающие нагрузки. Работа свай на вырывание и теперь еще мало исследована, так как для промышленных и гражданских сооружений сваи, работающие на вырывание, почти не применяются. Применение свайных фундаментов, работающих на вырывание, потребовало также разработки метода их расчета.
Характерно, что если изучению несущей способности грунта при действии на фундаменты вертикальных вдавливающих нагрузок посвящена обширная литература, основанная на не менее обширных экспериментах, то работа грунта при вырывании подножников, якорей, призматических свай и даже при опрокидывании одиночных узких фундаментов изучена значительно слабее.
В настоящей главе приведены методы расчета фундаментов и их оснований, которые в наибольшей мере согласуются с результатами проводившихся в последнее время испытаний и проверены многолетней практикой проектирования.
По характеру построения рекомендуемые методы являются приближенными и по мере накопления экспериментальных и теоретических данных должны совершенствоваться. Этот процесс должен привести к созданию общей методики расчета оснований и фундаментов опор линий электропередачи, основанный на учете действительных физических процессов, происходящих при нагружении грунта основания.
С учетом опыта инженерной и строительной практики к основным задачам проектирования оснований могут быть отнесены: 1) расчет грибовидных подножников и их оснований на осевое сжатие и на совместное действие осевой и горизонтальной сил, приложенных на отметке верха колонны; 2) расчет оснований и конструкций грибовидных подножников и анкерных плит для крепления оттяжек на вырывание, а подножников также на совместное действие осевой вырывающей и горизонтальной опрокидывающей сил, приложенных на отметке верхнего обреза колонны подножника; 3) расчет узких фундаментов на опрокидывание горизонтальными нагрузками, равнодействующая которых приложена на произвольной высоте Н над поверхностью грунта; 4) расчет одиночных призматических свай на совместное действие сжимающей или вырывающей осевых и горизонтальной сил, приложенных на отметке верха сваи.
В соответствии с нормами [57] основания и конструкции фундаментов должны рассчитываться по методу предельных состояний. При этом первая группа предельных состояний соответствует условиям прочности или общей устойчивости, вторая группа предельных состояний — условиям деформаций.
Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований фундаментов и их деформации, являются нормативные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов: угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации, сопротивление одноосному сжатию скальных грунтов и т. д.
При проектировании оснований опор линий электропередачи применяются и другие, не предусмотренные действующими нормами параметры, например нормативные давления грунтов обратной засыпки, используемые при расчете по деформациям вырываемых подножников и анкерных плит, нормативные сопротивления грунта на боковой поверхности и под нижними концами призматических свай, используемые при расчете их оснований. Эти сопротивления установлены опытным путем и подтверждены практикой проектирования.
Нормативные значения характеристик грунтов, как правило, должны устанавливаться на основе непосредственных определений при инженерно-геологических изысканиях, выполняемых для природного состояния грунтов с учетом возможного изменения их свойств в процессе строительства и эксплуатации линии. Для предварительных расчетов оснований опор линий электропередачи допускается определение нормативных значений прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам на основе зависимостей, установленных путем статистической обработки массовых испытаний грунтов. За нормативное значение прочностных характеристик грунтов Ан (угол внутреннего трения, удельное сцепление нескальных грунтов, временное сопротивление одноосному сжатию скальных грунтов) принимается их среднестатистическое значение, установленное с заданной доверительной вероятностью, т. е.
где
— среднее арифметическое значение характеристики по данным испытаний; Δ — доверительный интервал для истинного среднего значения исследуемой характеристики; он определяется по указаниям норм в зависимости от доверительной вероятности α.
Знак плюс принимается для более невыгодного условия работы основания или фундамента.
Под доверительной вероятностью α понимается вероятность того, что истинное среднее значение характеристики не выйдет за пределы нижней (или верхней) границы доверительного интервала. При расчетах оснований по несущей способности доверительная вероятность α нормативных значений прочностных
характеристик принимается равной 0,95, а при расчетах по деформациям 0,85.
Для нормативных сопротивлений прочих характеристик грунтов принимается среднестатистическое значение, равное среднему арифметическому значению.
Все расчеты оснований выполняются с использованием расчетных характеристик грунтов А, которые определяются делением соответствующих нормативных характеристик Мн на коэффициенты безопасности kг. Коэффициент безопасности принимается равным 1,05 (или 0,95 в случаях, когда неблагоприятным является большее значение характеристики) при расчетах оснований по несущей способности и равным 1,0 при расчетах оснований по деформациям.
Для расчета оснований нормальных опор на фундаментах нормального типа допускается использование нормативных характеристик грунтов, приведенных в табл. 8-1, 8-2, 8-3 для песчаных и глинистых грунтов.
Определение физических характеристик грунтов: коэффициента пористости, показателя пластичности, естественной влажности и гранулометрического состава, необходимых для нахождения значений.
Таблица 8-1
Нормативные значения удельных сцеплений (с в Н/см2) углов внутреннего трения (φ в град) и модулей деформаций (Е в МПа) песчаных грунтов (независимо от происхождения и возраста)
Таблица 8-2
Нормативные значения удельных сцеплений (с Н/см2) и углов внутреннего трения (φ в град) глинистых грунтов четвертичных отложений
Таблица 8-3
Нормативные значения модулей деформации глинистых грунтов (Е в МПа)
Расчет оснований опор ВЛ и ОРУ подстанций производится по несущей способности (1-я группа) в случаях, если на основание передаются горизонтальные или вырывающие нагрузки, или по деформациям (2-я группа) во всех режимах работы. Расчет оснований по деформациям производится на нормативные нагрузки, вычисляемые без учета динамического воздействия порывов ветра на конструкцию опоры.
При расчете оснований, воспринимающих вырывающие нагрузки, вводимый в расчет объемный вес грунта обратной засыпки. при расположении его выше уровня грунтовых вод принимается равным при ручном уплотнении γз=15,5 кН/м3 при уплотнении механическими трамбовками γз=17 кН/м3. Вес грунта и вес части фундамента, расположенных ниже уровня грунтовых вод, определяются с учетом взвешивающего действия воды.
Этот учет производится по формуле:
Объемный вес части фундамента, расположенной ниже отметки грунтовых вод, уменьшается на 10 кН/м3.
При проектировании оснований опор ВЛ и ОРУ подстанций должны проверяться следующие деформации: 1) вертикальные осадки отдельных блоков фундаментов от действия сжимающих нагрузок ∆у; 2) углы поворота (крена) отдельных блоков фундаментов при действии нагрузок, вызывающих опрокидывание, βф; 3) углы поворота в грунте стоек одностоечных свободностоящих железобетонных опор β0.
Из опыта эксплуатации и расчетного анализа совместной работы опор и фундаментов установлены значения предельных деформаций оснований фундаментов опор ВЛ и ОРУ подстанций (табл. 8-4).
В опорах с оттяжками за величину b принимается расстояние между осью подножника стойки и вертикалью, проходящей через центр подошвы анкерной плиты оттяжки.
Средняя осадка фундаментов переходных опор, определяемая по абсолютным осадкам не менее чем трех блоков, не должна превышать 20 см, при этом разность осадок отдельных блоков не должна превышать 0,002 b.
Таблица 8-4
Предельные деформации оснований фундаментов
нормальных опор
Примечание: b — база опоры (расстояние между подножниками) в плоскости действия опрокидывающего момента.
Расчет по деформациям производится на нормативные нагрузки за исключением, случая расчета гибких одностоечных опор по деформированной схеме, при котором поворот стойки вследствие деформаций грунта основания определяется при действии расчетных нагрузок, а предельный угол поворота ограничивается величиной 0,015 рад.
Расчет несущей способности оснований фундаментов опор выполняется на расчетные нагрузки. Поскольку действительные параметры грунтов выше расчетных (расчетные соответствуют левому краю кривой распределения), то наступление предельного состояния имеет место только для случаев, когда параметры грунтов соответствуют расчетным. При расчете несущей способности дополнительные условия, влияющие на работу основания, учитываются с помощью коэффициентов условий работы, на которые расчетная несущая способность умножается, а степень ответственности конструкции или недостаточность изученности — с помощью коэффициентов надежности, на которые расчетная несущая способность делится.
При определении параметров грунтов на основании полевых и лабораторных исследований (не по табл. 8-1, 8-2, 8-3) и учете коэффициента безопасности rг=1,05 (0,95) нормы [60] рекомендуют принимать коэффициент надежности не менее 1,2.
При расчете несущей способности оснований фундаментов анкерных, анкерных угловых и специальных опор вводятся коэффициенты условий работы т, меньшие единица, которые учитывают снижение несущей способности грунтов (особенно глинистых) при длительном действии нагрузок и принимаются равными:
Для прямых промежуточных опор ВЛ 1,00
Для прямых анкерных опор ВЛ без разности тяжений
в смежных пролетах .. 0,85
Для анкерно-угловых, промежуточных угловых, концевых, анкерных прямых с разностью тяжений в смежных пролетах и всех порталов ОРУ 0,75
Для специальных переходных опор ВЛ ... 0,60
Введение коэффициентов условий работы следует понимать не как повышение надежности работы оснований этих опор по сравнению с промежуточными, а как расчетный прием, позволяющий учитывать ухудшение работы грунтов при действии длительных или постоянных нагрузок. Для специальных опор коэффициентом условий работы учитывается также повышение надежности работы основания.
