8-3. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ВДАВЛИВАЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ
В большей части методов расчета деформаций оснований используется теория линейно деформируемой среды. Их применимость ограничивается условно упругой стадией работы грунта, которая обычно определяется величиной давления на грунт. '
Рис. 8-2. Схема нагрузок на фундаменты
Как уже отмечалось, фундаменты опор линий электропередачи металлических башенного типа и портальных, металлических и железобетонных на оттяжках состоят из вдавливаемых (сжимаемых) и вырываемых элементов (блоков) (рис. 8-2). У металлических свободностоящих опор в зависимости от направления опрокидывающего момента вдавливаемыми или вырываемыми могут быть в равной мере все элементы. Характер работы элементов закреплений в грунте опор с оттяжками строго разграничен: фундаменты под стойки опоры работают только на вдавливание, а якоря для оттяжек только на вырывание.
Как видно из схем, представленных на рис. 8-2, на фундаменты действуют одновременно с вертикальными также и горизонтальные силы, равные в сумме поперечной силе на уровне верхнего обреза фундаментов. В закреплениях опор на оттяжках часть поперечной силы воспринимается якорями оттяжек, а часть фундаментом стойки, если стойка имеет наклон. Схемы передачи горизонтальных нагрузок для этих двух случаев разные, но обе схемы показывают, что как вдавливаемые, так и вырываемые фундаменты испытывают совместное действие продольных и поперечных сил.
Ниже даются рекомендации по определению давлений на грунт, создаваемых элементами наиболее характерных конструкций вдавливаемых фундаментов.
1. Легкий сборный или монолитный железобетонный фундамент (подножник).
Железобетонные подножники являются в настоящее время основным типом фундаментов опор линий электропередачи. Их собственный вес относительно мал и прочность заделки в грунте определяется сопротивлением, которое оказывает основание по подошве и по верхней поверхности плиты, а при широкой стойке или стойке, усиленной ригелями, и по боковой поверхности. Схема реактивных давлений основания при действии на подножник вдавливающей силы Ν, горизонтальной силы Ру и момента Мх дана на рис. 8-3.
Рис. 8-3. Расчетные эпюры давлений грунта на элементы железобетонного подножника
Рис. 8-4. Схема подножника, принимаемая при расчете на сжатие с опрокидыванием в обеих плоскостях симметрии
В общем случае на подножник, имеющий прямоугольную плиту, действуют одновременно осевая вдавливающая сила Ν, а по главным осям инерции горизонтальные силы Рх и Ру, создающие на уровне его подошвы опрокидывающие моменты Мх и Му (рис. 8-4).
Полагаем, что боковая поверхность подножника мала и боковым отпором грунта можно пренебречь.
При выводе расчетных уравнений приняты следующие допущения.
- Жесткость фундамента велика и его деформациями при расчете можно пренебречь.
- Давление на грунт под подошвой и над верхней поверхностью плиты пропорционально перемещениям соответствующих точек плиты перпендикулярно плоскости подошвы.
- Коэффициенты пропорциональности между перемещением и давлением на грунт под подошвой с1 (ненарушенный грунт) и над верхней поверхностью плиты с2 (насыпной грунт с различной степенью уплотнения) различны.
- Горизонтальные силы воспринимаются силами трения по подошве и верхней поверхности плиты.
Третье допущение не отвечает современным представлениям о напряженном состоянии грунтовой среды, а коэффициенты пропорциональности (так называемые коэффициенты постели) не являются физическими постоянными грунта, но в данном случае используется их отношение, а не количественные значения.
Рис. 8-5. Схема нагрузок и реактивных давлений грунта на плиту сжато- опрокидываемого в обеих плоскостях симметрии подножника (в новое положение подошвы)
Поэтому окончательные расчетные формулы имеют ту же точность, что и формулы расчета давления на грунт под подошвой при внецентренном сжатии обычных фундаментов.
На рис. 8-5, а изображена плита фундамента с приведенными к ее центру тяжести О и главным осям инерции х—х и у—у нагрузками: вертикальной силой N и опрокидывающими моментами Мх и Му. Векторы моментов направлены так, чтобы
наблюдателю, смотрящему вдоль вектора от точки О, вращение представлялось по часовой стрелке.
Для простоты плита представлена прямоугольником 1—2— 3—4, но может иметь любую форму, и при этом последующие рассуждения и окончательные выводы не изменятся.
Под действием внешних нагрузок плита, оставаясь плоской, переместится вдоль Οz, повернется на угол а и займет положение 5—6—7—8. Эпюра давлений на грунт под и над плитой будет иметь вид, показанный на том же рис. 8-5, а.
Новое положение плиты можно рассматривать как результат ее поворота вокруг оси υ ν—ν, лежащей в плоскости первоначального положения. Она является нейтральной (давление грунта на этой оси равно нулю), и определение ее положения составляет основу решения поставленной задачи.
При принятых допущениях уравнений, определяющие равновесие подножника, имеют вид:
Уравнение (8-19) является общим для нахождения величины х0, определяющей положение нейтральной оси во всех случаях, когда опрокидывающий момент М лежит в плоскости главной оси инерции площади подошвы плиты фундамента. Оно справедливо при любой форме плиты. В частном случае
В рассмотренных способах определения давлений под и над плитой грибовидных подножников сопротивление грунта по боковой поверхности не учитывалось. В действительности оно всегда имеет место, но строгий учет его не разработан.
Создание инженерных способов расчета на базе реальной схемы, основанной на учете давлений на грунт, возникающих при повороте подножника под действием внешних нагрузок, встречает трудности из-за пластических свойств грунта.
Деформации грунта, как и всякого упругопластического материала, состоят из упругой (обратимой) и пластической (необратимой) составляющих. Наличие пластической составляющей делает зависимость давление — деформация криволинейной.
По мере увеличения давлений доля пластических деформаций возрастает, вместе с ней увеличивается и нелинейность зависимости. При определенных величинах давлений расчет по упругой стадии становится невозможным, так как не обеспечивает требуемой точности. Задача осложняется также тем, что работа слоев грунта, расположенных непосредственно у поверхности, отличается (и тем в большей мере, чем ближе они к поверхности) от работы более удаленных слоев: грунт поверхностных слоев переходит в пластическое состояние при более низких давлениях. Следовательно, для этой части грунта должно учитываться предельное равновесие, в то время как остальной грунт еще работает в упругой стадии. Поэтому расчет подножника на совместное действие нормальных и горизонтальных сил производится без учета физической связи между этими двумя воздействиями. Делается это следующим образом.
3. Фундамент глубокого заложения.
На линиях электропередачи применяются фундаменты глубокого заложения в виде узких столбов квадратного или круглого сечений, устанавливаемые в просверленные буровой машиной котлованы.
В общем случае на такие фундаменты действуют одновременно осевая вдавливающая и горизонтальные опрокидывающие нагрузки. Поскольку площадь подошвы у этих фундаментов невелика, опрокидывающие нагрузки практически полностью уравновешиваются давлением грунта на их боковую поверхность (см. § 8-5).
Ниже даны рекомендации по расчету фундамента глубокого заложения постоянного сечения с двумя и более осями симметрии под действием только нормальной силы Ν.
Как показывают расчеты и опытные исследования, для отношений глубины заложения фундамента к его ширине, больших определенных значений, выпирание грунта из-под подошвы при действии нормальной силы не происходит и давление под подошвой в этом случае может быть значительно повышено. Условием, обеспечивающим надежную работу таких фундаментов при установке их в котлованы, образованные буровой машиной, является тщательное заполнение пространства между стенками котлована и боковой поверхностью фундамента.
Предельное значение нормальной силы, характеризующей прочность оснований из песчаных грунтов фундаментов с h/b>2 при квадратном и h/D>2 при круглом сечениях, определяется [3] по формулам:
для фундамента с квадратной подошвой
(8-29)
Для расчета оснований фундаментов массовых опор линий электропередачи нормальной высоты, если основание состоит из горизонтальных слоев с постоянной толщиной, можно ограничиться проверкой давлений; при этом величину R допускается принимать по табл. 8-6, а, б, в. В этом случае расчет осадок не требуется, так как значения R в табл. 8-6, а, б, в назначены такими, при которых величина осадок не превосходит приведенных в табл. 8-4.
Таблица 8-6в
Нормативное давление на глинистые грунты основания R (в МПа)
Основания вдавливаемых фундаментов глубокого заложения проверяются по прочности, при этом должно удовлетворяться условие
, где Νпр — предельная величина вдавливающей нагрузки, определяемая по формулам (8-29), (8-30), (8-31) при учете расчетных характеристик грунтов (R, φ) и т (см. стр. 382). Соответствующие величины нормативных углов внутреннего трения φ принимаются по табл. 8-1 и 8-2. Расчетные характеристики грунтов получаются из нормативных (§ 8-1).
