В сейсмических районах проектирование фундаментов должно учитывать особенности грунтов и тип здания. Рекомендуется использовать глубокие фундаменты, такие как свайные или буронабивные, которые обеспечивают лучшую устойчивость к колебаниям земной поверхности. Также важна интеграция демпферов и устройств для снижения вибраций, что поможет минимизировать повреждения конструкции в случае землетрясения.
Ключевым моментом является необходимая гибкость фундамента, которая позволит зданию адаптироваться к сейсмическим нагрузкам. Для этого следует использовать строительные материалы с высокими показателями прочности и надежности. Проведение сейсмоанализа и соблюдение местных строительных норм и рекомендаций помогут повысить безопасность зданий в сейсмически активных зонах.
Основание фундаментов в районах сейсмической активности
В данной статье рассмотрены правильные подходы к сейсмостойкому строительству, поскольку около 20% территории России считается сейсмически активной. Это создает препятствие для строительства. Для того чтобы избежать деформации и сохранить прочность, необходимо соблюдать некоторые условия при возведении фундаментов.
Введение
Сейсмическая активность представляет собой одно из самых опасных природных явлений, способных вызвать значительные разрушения и человеческие жертвы. Землетрясения могут оказывать разрушительное воздействие на архитектурные сооружения, инфраструктуру и, в конечном итоге, на жизнь людей. Поэтому проектирование фундаментов зданий в сейсмоактивных регионах требует особого подхода и знаний. В этой статье мы проанализировали влияние сейсмической активности на проектирование фундаментов, рассмотрели современные методы оценки сейсмической нагрузки и защитные способы, которые можно применить для минимизации последствий землетрясений.
Основная часть
Строительство фундаментов в сейсмоактивных районах России требует особого подхода и соблюдения специфических норм и стандартов, направленных на обеспечение устойчивости и надежности зданий. В таких регионах важно тщательно проводить геологические исследования, чтобы оценить характеристики грунта и уровень сейсмической активности [1, с. 4-7].
Фундамент должен быть спроектирован с учетом возможных колебаний, поэтому предпочтение отдается глубоким вариантам, таким как свайные или полуподземные фундаменты, которые способны рассеивать нагрузки и снижать эффективность сейсмических волн [2, с. 46-47].
Важно учитывать ширину и форму фундамента: более широкие фундаменты обеспечивают лучшую стабильность, а специальные арматурные конструкции помогают снизить риск трещинообразования в бетоне [3, с. 38-40].
Кроме того, использование специальных материалов, таких как сейсмостойкий бетон и арматура, способных выдержать значительные динамические нагрузки, является ключевым фактором. Специальные деформационные швы также играют важную роль, позволяя конструкциям «дышать» и гасить колебания, что значительно повышает их устойчивость к сейсмическим воздействиям.
Важно проводить регулярные испытания и мониторинг состояния фундаментов, чтобы вовремя выявлять возможные дефекты.
Проектирование фундаментов в сейсмически активных районах– это сложный, но крайне важный процесс, обеспечивающий безопасность и долговечность зданий.
Сравнив различные типы фундаментов, можно выделить несколько основных видов: ленточные, плитные и свайные.
Ленточные фундаменты, хоть и популярны, но менее эффективными в условиях сильных толчков, так как распределение нагрузки не всегда способно поглотить сейсмические колебания.
Плитные фундаменты обеспечивают большую устойчивость за счет равномерного распределения массы здания, что делает их предпочтительными в районах с низкой прочностью грунтов.
Но наиболее эффективными считаются свайные фундаменты, которые помогают передать нагрузку на более глубокие и прочные слои земли. Важным преимуществом свайных фундаментов является их способность уменьшать осадку здания, а также сопротивляться подвижкам грунта и воздействию проливных дождей. Таким образом, сваи обеспечивают не только надежность, но и долговечность всей постройки, что делает их предпочтительным выбором для архитекторов и инженеров в современном строительстве. Сваи, погруженные ниже уровня сейсмической активности, создают надежную опору, минимизируя риск разрушений при землетрясениях.
Таким образом, при выборе фундамента для строительства в сейсмоактивных районах важно учитывать особенности грунта, тип сооружения и уровень потенциальной сейсмической активности [4], выбирая самые эффективные решения для обеспечения стабильности и безопасности зданий.
Один из важных аспектов проектирования зданий и сооружений в сейсмоактивных районах это демпфирование [5, с. 89-94]. Оно направлено на снижение колебаний и вибраций, возникающих в результате землетрясений, тем самым повышая устойчивость конструкций.
Основные виды демпфирования и их применение:
- Пассивные демпферы. Эти устройства не требуют внешнего источника энергии и работают по принципу поглощения и рассеивания энергии колебаний.
- Резино-металлические демпферы. Используются резиновые подушки, которые поглощают вибрации. Они могут быть установлены между фундаментом и зданием.
- Точечные демпферы. Устанавливаются в узлах конструкции, помогают снизить колебания в определенных точках.
- Тяжелые массы. Установка массивных элементов (например, бетонных блоков) на верхних этажах, которые могут двигаться в противоположном направлении к колебаниям здания.
- Активные демпферы. Эти системы требуют источника энергии и используют датчики для определения колебаний, а затем автоматически регулируют свои параметры.
- Системы активного управления. Используют электрические или гидравлические механизмы для создания противодействующих сил в ответ на колебания. Это позволяет значительно уменьшить амплитуду вибраций.
- Полупассивные демпферы. Эти устройства комбинируют элементы пассивного и активного демпфирования. Они могут адаптироваться к изменяющимся условиям, но не требуют постоянной энергии.
- Фрикционные демпферы. Используют трение для поглощения энергии. Они могут быть настроены на определенные уровни нагрузки.
Системы с использованием маятников:
Маятниковые системы: Установка маятников, которые колеблются в противофазе к колебаниям здания, помогает компенсировать движение.
Что качается преимуществ демпфирования, то к ним относятся:
Уменьшение амплитуды колебаний помогает предотвратить повреждения конструкций и оборудования внутри зданий.
Здания с хорошими демпфирующими системами имеют меньшие риски структурных повреждений, что увеличивает их срок службы.
Защита людей, находящихся внутри зданий, от потенциальных травм и опасностей во время землетрясений.
Правильный выбор и установка демпферных систем могут значительно повысить устойчивость конструкций к землетрясениям, что особенно важно для защиты жизни и имущества в сейсмоактивных регионах.
Эти методы и технологии продолжают развиваться, и важно, чтобы инженеры и архитекторы оставались в курсе последних технологий и стандартов, чтобы обеспечить максимальную безопасность построек в сейсмоактивных районах.
Вывод
Таким образом, проектирование фундаментов для зданий в сейсмоактивных районах требует комплексного подхода, который включает в себя оценку сейсмического риска, использование современных технологий и методов защиты. Внедрение новых технологий защиты и проектирования позволяет значительно снизить риски разрушений и обеспечить безопасность зданий. Как показывают реальные примеры, правильное проектирование и использование доступных технологий могут существенно увеличить шансы на выживание зданий в условиях сейсмической активности, что является важной задачей для цивилизации в условиях повышения риска природных катастроф.
Единственным правильным подходом к сейсмостойкому строительству является сочетание научных исследований, применения передовых технологий и строгого соблюдения нормативных требований.
Фундаменты в сейсмических районах рекомендации
Главная / Журналы / Строительство и архитектура / Том 7 Номер 1 / Особенности строительства фундаментов высотных зданий на крутых склонах в районах с высокой сейсмичностью
Цитировать
Цитирований:
Особенности строительства фундаментов высотных зданий на крутых склонах в районах с высокой сейсмичностью
Журнал: СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА Том 7 № 1 , 2019
Рубрики: 05.23.02 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
1. Кубанский государственный аграрный университет (Оснований и фундаментов, профессор) с 01.01.2001 по настоящее время Краснодар, Краснодарский край, Россия
2. Кубанский государственный аграрный университет (Оснований и фундаментов) с 01.01.2016 по настоящее время Кубанский государственный аграрный университет (Оснований и фундаментов, ассистент) с 01.01.2013 по 01.01.2016 Краснодар, Краснодарский край, Россия
Тип:
Статья
DOI:
Страницы:
с 20 по 27
Статус:
Опубликован
Получено:
Одобрено:
21.02.2019
Опубликовано:
Классификаторы:
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции ГРНТИ 67.23 Архитектурно-строительное проектирование ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства ОКСО 08.04.01 Строительство ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства ББК 302 Проектирование ББК 304 Конструкции ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования ТБК 5413 Основания и фундаменты. Механика грунтов
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
свайно-плитный фундамент, промежуточная подушка, сейсмичность, склон, высотное здание, вертикально армированное основание, глубокий котлован, нестандартное решение фундамента
Аннотация (русский): В статье приведен пример использования свайно-плитного фундамента с промежуточной подушкой для реализации высотного здания на оползнеопасном склоне в сейсмическом районе.
Ключевые слова: свайно-плитный фундамент, промежуточная подушка, сейсмичность, склон, высотное здание, вертикально армированное основание, глубокий котлован, нестандартное решение фундамента
Текст (PDF): Читать Скачать
Строительство высотных зданий на крутых склонах является сложной задачей в связи с наличием ряда технических и технологических особенностей их возведения. Зачастую проектирование не может обойтись без применения нетрадиционных решений фундаментов и надземных частей здания, а также современных методов по устройству глубоких котлованов [3-4, 8, 11-15].
Рисунок 1 – Участки с высотными зданиями, расположенными на крутых склонах
В настоящей статье приведен опыт проектирования высотного здания в г. Сочи с нетрадиционным решением фундаментов, позволивший выровнять неравномерную сжимаемость основания в плане и по глубине геологического разреза в связи с крутопадающими напластованиями инженерно-геологических элементов (рис. 2…5).
Краснодарский край и его Черноморское побережье являются одним из наиболее привлекательных регионов России с современной курортной инфраструктурой. Такие факторы, как крутой рельеф, оползневая и селевая активность, неравномерное распространение слабых грунтов в плане и по глубине, – заставляют принимать нестандартные решения при проектировании фундаментов высотных зданий.
Рисунок 2 –Участок строительства высотного здания на крутом склоне
Проектируемое здание – 24-25-ти этажное (высота здания ~108,0 м), с двумя подземными этажами. Форма подземной части здания в плане близка к прямоугольной с размерами ~95х50 м. За относительную отметку 0,00 принята абсолютная отметка 74,7 м. Глубина заложения подошвы плиты переменная – 7,5-18,4 м. Отметка подошвы плиты -7,95 м (абс. отм. 66,75 м), сейсмичность площадки строительства 9 баллов.
Рисунок 4 – Схема совмещения фундаментов с естественным рельефом участка
Рисунок 5 – Инженерно-геологический разрез по линии 1-1 (рис.4)
В геоморфологическом отношении участок строительства приурочен к средней части приморского склона юго-западной экспозиции горы Бытха. Площадка строительства расположена на склоне горы Бытха и характеризуется резким перепадом рельефа поперек буквенных осей проектируемого здания. Участок строительства расположен в верхней части крупного древнего оползня, зарегистрированного в кадастре Северо-Кавказского Геоэкологического центра под № 1713, характеризующийся как стабилизировавшийся.
Геологическое строение, согласно инженерно-геологическим изысканиям, изучено до глубины 30 м и представлено следующими грунтами (сверху вниз).
- Насыпные грунты ( tQIV ) [ИГЭ-1] неоднородные, крупнообломочный, слежавшийся грунт с глинистым полутвердым заполнением. Толщина – 0,9-3,5 м.
- Нерасчлененные верхнечетвертичные и современные делювиально-оползневые образования ( d-dpQII ) [ИГЭ-2] представлены глиной песчанистой, полутвердой, слабонабухающей с включениями щебня и глыб выветрелых осадочных пород (до 25%). Толщина – 4,0-17,0 м.
- Древнеоползневые образования среднеплейстоценового возраста ( dpQII ) [ИГЭ-3] представлены смещенными блоками аргиллитов, алевритов и песчаников, выветрелых до состояния суглинков полутвердых, слабонабухающих, щебнистых. Толщина – 1,0-10,2 м.
- Коренные породы среднего палеогена ( P2ф ) [ИГЭ-4] представлены мергелями малопрочными, плотными, размягчаемыми, нерастворимыми. Падение пластов коренных пород юго-западное под углом 15-18°. Наибольшая вскрытая толщина – 20,5 м.
Подземные воды на участке строительства встречены при проходке древнеоползневых отложений [ИГЭ-3]. К современным и делювиально-оползневым отложением приурочены подземные воды типа «верховодка». Основные нормативные и расчетные характеристики физико-механических свойств грунтов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные нормативные и расчетные характеристики физико-механических свойств грунтов
Разновидность грунта по ГОСТ 25100-95
Насыпной слежавшийся неоднородный крупнообломочный грунт с глинистым полутвердым заполнителем и включением строительного мусора
Глина легкая песчанистая полутвердая слабонабухающая с включением щебня и глыб выветрелых осадочных пород (до 25%)
Суглинок тяжелый пылеватый полутвердый ненабухающий непросадочный щебенистый
Мергель малопрочный плотный размягчаемый нерастворимый
Плотность грунта природной влажности, т/м3
Удельное сцепление, кПа
Угол внутреннего трения, град
Модуль деформации при водонасыщении, МПа
Предел прочности на одноосное сжатие при естественной влажности, МПа
Предел прочности на одноосное сжатие при водонасыщении, МПа
- значения прочностных характеристик без знака* — по схеме ускоренного сдвига при естественной влажности;
- значения со знаком* — по схеме повторного сдвига по подготовленной смоченной поверхности;
- значения со знаком **- по схеме консолидированного сдвига с предварит. уплотнением под водой
Разработанное проектное решение глубокого котлована [18] предусматривало возведение свайно-анкерного ограждения из буронабивных свай d800 мм и d600 мм, которые по высоте раскреплялись 2-4 ярусами инъекционных анкеров (рис. 6). Сваи выполнялись с поверхности естественного рельефа.
Длина свай d800 мм — 20,0-26,0 м; d600 мм — 16,0-18,0 м. Сваи изготавливались из бетона класса B25 и армировались пространственными каркасами из арматурных стержней d36 мм. Для обоснования принятых решений проводились геотехнические расчеты в ПК PLAXIS. Наиболее опасные расчетные сечения, их техническое решение замаркированы и показаны на рис. 6,7,9.
Деформированные схемы на последней стадии расчета для каждого сечения показаны на рис. 8,10.
Рисунок 6 – Схема расположения решений ограждения глубокого котлована
Рисунок 7 – Расчетное сечение 1-1 Рисунок 8 – Деформированная схема расчетного сечения 1-1
Рисунок 9 – Расчетное сечение 2-2 Рисунок 10 – Деформированная схема расчетного сечения 2-2
Таблица 2 – Расчетные усилия в грунтовых анкерах в сечении 1-1
Номер яруса анкера
Усилие в анкере на 1м.п., кН
Усилие в анкере, кН
Таблица 3 – Расчетные усилия в грунтовых анкерах в сечении 2-2
Номер яруса анкера
Усилие в анкере на 1м.п., кН
Усилие в анкере, кН
В результате проведённых расчетов удалось определить расчетные усилия в элементах системы, по которым назначался их шаг и габаритные размеры. В таблицах 2-3 показаны расчетные и проектные значения усилий в грунтовых анкерах с учетом шага их расстановки, которые были подтверждены натурными испытаниями с применением соответствующих коэффициентов запаса.
Рисунок 11 – Инженерно-геологические условия строительства высотного здания
После обоснования конструкции глубокого котлована был проведен поиск эффективного решения фундамента высотного здания. Как видно из рисунка 11, участок строительства высотного здания расположен на крутом склоне. Данное здание предусматривает развитую 2-3-этажную подземную часть, в связи с чем необходимо выполнение откопки до 18 м, однако даже такие значительные подрезки склона не позволяют зданию опираться на однородные грунты. Это показано на рисунке 11, где правая часть фундамента здания опирается на скальные грунты ИГЭ-4, а левая часть – на дисперсные грунты ИГЭ-2, 3.
В таких условиях применение традиционных решений фундаментов является трудоемким и экономически неэффективным. В связи с чем было разработано специальное техническое решение фундамента, которое предусматривало выравнивание деформационных характеристик основания за счет применения вертикального армирования основания буронабивными сваями под частью фундаментной плиты высотного жилого здания (рис. 12).
Рисунок 12 – Схема расположения элементов вертикального армирования основания высотного жилого здания
Суть технического решения заключалась в использовании буронабивных свай d400 мм переменной длины — 2,0-18,0 м (см. рис. 11). Сваи выполнялись с отметки дна котлована -9,10 м (абс. отм. -65,60 м) (рис. 15).
Длина свай назначалась из расчета заглубления подошвы свай в мергель (ИГЭ-4) не менее чем на 1,0 м. В верхней правой части фундамента, согласно инженерно-геологическим изысканиям, в основании фундаментной плиты здания залегает мергель (ИГЭ-4), в этих местах фундаментная плита здания опирается на естественное основание. В нижней правой части – на сваи. Все сваи вертикально армированного основания объединятся монолитной плитой толщиной 450 мм, для более равномерного и совместного восприятия приходящих нагрузок на армированное основание. Между сваями и плитой здания выполняется промежуточная подушка (рис. 13) толщиной 600 мм из гранитного щебня для снятия значительных горизонтальных нагрузок, приходящих на сваи при сейсмическом событии в 9 баллов [18].
Рисунок 13 – Техническое решение плитного фундамента на армированном основании для высотного здания в г. Сочи
Рисунок 14 – Процесс бурения свай инженерной защиты глубокого котлована
Рисунок 15 – Начало бурения свай вертикально армированного основания высотного здания с проектной отметки дна котлована
Рисунок 16 – Устройство промежуточной подушки из гранитного щебня для компенсации горизонтальных воздействий на высотное здание
Рисунок 17 – Этап возведения 14-го надземного этажа высотного здания
Рисунок 18 – Завершение фасадных работ на объекте
Использование современных геотехнологий в сочетании с заданной проектом последовательностью возведения фундамента, а также адаптация объемно-планировочного решения проектируемого объекта к существующему рельефу дают техническую и экономическую возможность воплотить задуманный архитектурный проект на практике. Это требует соответствующего расчетного обоснования и применения нестандартных технических решений фундаментов.
1. СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81* . — М. : Минстрой России, 2015.
2. СНКК 22-301-2000 Строительство в сейсмических районах Краснодарского края. — М. : Госстрой России, 2001.
3. К расчету зданий и сооружений на сложных, неравномерно сжимаемых основаниях / Шадунц К. Ш., Мариничев М. Б. // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2003. — № 2. — С. 7-10.
4. Эффективные фундаментные конструкции в сложных грунтовых условиях / Мариничев М. Б., Шадунц К. Ш., Маршалка А. Ю. // Промышленное и гражданское строительство. — 2013. — № 2. — С. 34-36
5. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общ. ред. Ильичева В. А. и Мангушева Р. А. -2-е изд., доп. и перераб. — М. : Изд-во АСВ, 2016, — 1040 с.
6. Справочник проектировщика. Основания и фундаменты, подземные сооружения / Под общ. ред.Сорочана Е. А., Трофименкова Ю. Г. — М.: Стройиздат, 1985. — 480 с.
7. Руководство по проектированию свайных фундаментов // НИИОСП им. Герсеванова. — М. : Госстрой СССР, 1980.
8. Рекомендации по проектированию свайных фундаментов с промежуточной подушкой для зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах // НИИ оснований им. Герсеванова при уч.института "Фундамент-проект". — Кишинев, 1974.
9. Способ строительства свайно-плитных фундаментов в сейсмических районах: пат. 2300604 Рос. Федерация: МПК E02D 27/34 №2005131149/03 заявл. 07.10.2005; опубл. 10.06.2007, Бюл. №16 / К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев, В. А. Демченко / заявка 2005131149/03, заявл.
07.10.2005; опубл. 10.06.2007, Бюл. №16
10. Способ возведения свайно-плитного фундамента: пат. 2378454 Рос. Федерация: МПК E02D27/14 №2008133436/03, заявл. 14.08.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. №1 / К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев / заявка 2008133436/03, заявл.
14.08.2008; опубл. 10.01.2010, Бюл. №1
11. Разработка конструктивного решения вертикально армированного основания плитного фундамента высотного здания в сейсмическом районе / Мариничев М. Б., Ткачев И. Г. // Материалы международной научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении». — Новочеркасск: Изд-во ИД «Политехник», 2015. — С. 272-281.
15. Особенности учета инженерно-геологического строения оснований пойменных территорий в сейсмических районах при выборе технических решений фундаментов высотных зданий / Мариничев М. Б. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. — Пермь: ПНИПУ, 2018. — №1. — С. 103-113
16. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. Моногр. Пермь : Пресстайм, 2007. — 168 с.
17. Расчеты взаимодействия высотного здания и основания с учетом нелинейных свойств конструкционных материалов и грунтов / Шашкин А. Г., Шашкин К. Г.// Жилищное строительство. — М. : Рекламно-издательская фирма "Стройматериалы", 2015. — №9, — С. 30-35.
18. Договор №1662/38-148-06/СП между ООО «Датонг Групп» и НИИОСП им.Н.М. Герсеванова — филиалом ФГУП «НИЦ «Строительство».
Фундаменты в сейсмических районах рекомендации
Сейсмическими явлениями или землетрясениями называют колебательные движения земной коры в результате проявления внутренних сил земли. В основном, такие воздействия на фундаменты зданий и сооружений обусловлены тектоническими разломами и другими процессами в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях распространяются упругие колебания, которые характеризуются сейсмическими волнами: продольными (от них происходит сжатие и растяжение) и поперечными (влекут за собой сдвиг). Кроме того, от эпицентра по поверхности земли распространяются во все стороны поверхностные волны, приводящие к наиболее сильным вертикальным колебаниям поверхностного слоя, что вызывает колебания зданий и сооружений и появление сил инерции, от чего происходит разрушение либо части здания, либо всего здания целиком.
0 KB
сейсмические явления
сейсмические воздействия
землятресения
тектонические разломы земной коры
1. СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах СНиП II-7–81*
2. Берлинов М.В. Основания и фундаменты, 1999 (2011).
3. Справочник проектировщика. Основания и фундаменты, 1964.
4. Сорочан А. Основания, фундаменты и подземные сооружения, 1985.
5. Фундаменты при динамических воздействиях и в условиях сейсмики [Электронный ресурс]. – URL: http://cozyhomestead.ru/Pochva_8795.html. html (дата обращения: 19.01.2018).
6. Фундаменты при сейсмических воздействиях [Электронный ресурс]. – URL: https://studfiles.net/preview/6016741. html (дата обращения: 19.01.2018).
Сейсмические воздействия на фундаменты зданий и сооружений обусловлены землетрясениями, происходящими в результате тектонических разломов и других процессов в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях распространяются упругие колебания, характеризуемые сейсмическими волнами: продольными (сжатия и растяжения) и поперечными (сдвиговые, перпендикулярные продольным). Кроме того, от эпицентра по поверхности земли распространяются во все стороны поверхностные волны, приводящие к наиболее сильным вертикальным колебаниям поверхностного слоя [1].
Вертикальные колебания существенны для сооружений вблизи эпицентра землетрясения. По мере удаления от него они затухают значительно быстрее горизонтальных, поэтому основную опасность представляют горизонтальные колебания. Продолжительность землетрясений чаще всего измеряется несколькими секундами и реже минутами.
Силу землетрясения оценивают в баллах. В России принята 12–балльная шкала. Список населенных пунктов, расположенных в сейсмических районах страны, с указанием принятой для них сейсмичности в баллах и повторяемости сейсмического воздействия приведен в СНиП II-7–81* «Строительство в сейсмических районах» [2].
Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.
Сейсмическое воздействие – движение грунта, вызванное природными или техногенными факторами (землетрясения, взрывы, движение транспорта, работа промышленного оборудования), обусловливающее движение, деформации, иногда разрушение сооружений и других объектов.
Сейсмическая (инерционная) сила, сейсмическая нагрузка – ила (нагрузка), возникающая в системе «сооружение-основание» при колебаниях основания сооружения во время землетрясения [3].
Сейсмические воздействия, как и любые динамического характера нагрузки на основания сооружений, приводят к изменению свойств грунтов: увеличиваются сжимаемость, особенно несвязных грунтов; уменьшается их предельное сопротивление сдвигу. При определенных условиях может происходить разжижение водонасыщенных песчаных грунтов оснований, приводящее к полному исчерпыванию их несущей способности. Эти изменения строительных свойств грунтов и специфический характер взаимодействия сооружения с основанием определяют особенности проектирования фундаментов в условиях сейсмики. По действующим в России нормам, сейсмические воздействия учитываются при проектировании зданий и сооружений в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов. На площадках, сейсмичность которых превышает 9 баллов, возводить сооружения, как правило, не допускается [4].
Основное требование сейсмостойкости фундаментов состоит в том, чтобы при совместном действии на них обычных нагрузок и сейсмических сил фундаменты не разрушились, не сдвигались и не опрокидывались, а основание не теряло устойчивости, тем самым обеспечивая общую устойчивость и прочность системы «сооружение – основание». К сейсмическим силам относятся силы взаимодействия между грунтом основания, испытывающим колебания при землетрясениях, и сооружением. По природе они являются инерционными, по характеру – динамическими. Величина сейсмической нагрузки зависит не только от интенсивности колебаний, но и от динамических характеристик сооружения и его собственных колебаний, обусловленных начальными условиями движения грунта.
Расчет оснований и фундаментов сооружений, проектируемых для строительства в сейсмических районах, должен выполняться на основные и особые сочетания нагрузок (с учетом сейсмических воздействий). Особое сочетание нагрузок определяется с учетом коэффициентов сочетаний Kс, равных для постоянных нагрузок 0,9, временных длительных – 0,8 и кратковременных (на перекрытия и покрытия) – 0,5 [5].
При этом не учитываются горизонтальные нагрузки от масс на гибких подвесках, температурные климатические воздействия, ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования и транспорта, тормозные и боковые усилия от движения кранов.
При определении расчетной вертикальной сейсмической нагрузки необходимо учитывать массу моста крана, тележки, а также массу груза, равного грузоподъемности крана с коэффициентом 0,3. Горизонтальную сейсмическую нагрузку от массы мостового крана учитывают в направлении, перпендикулярном к оси подкрановых балок. При этом снижение крановых нагрузок, рекомендуемое СНиП по нагрузкам и воздействиям, не учитывается.
Основания и фундаменты рассчитывают на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий исходя из того представления, что сейсмические нагрузки могут иметь любое направление в пространстве. Действие сейсмических нагрузок в рассматриваемых направлениях принимают отдельно и определяют по формуле.
При расчете подпорных стенок учитывают раздельно сейсмическое давление грунта и давление, вызванное изменением напряженного состояния фунтовой среды при прохождении в ней сейсмических волн (продольных и поперечных). Активное qa и пассивное qp давление грунта на подпорные стенки с учетом сейсмического воздействия определяются по формулам Далматова [6].
где K – коэффициент сейсмичности, значение которого принимают 0,025: 0,05 и 0.10 соответственно для расчетной сейсмичности 7,8 и 9 баллов; φ – расчетный угол внутреннего трения при расчете по устойчивости; qа и qр – активное и пассивное давление грунта при статическом состоянии.
Одним из общих принципов обеспечения сейсмостойкости сооружений является принцип монолитности и равнопрочности всех элементов зданий и сооружений. Поскольку при прохождении сейсмической волны поверхность основания может испытывать растяжение в том или ином направлении, целесообразно колонны каркасных зданий располагать на сплошных фундаментных плитах, перекрестных ленточных фундаментах или соединять отдельные фундаменты и свайные ростверки железобетонными балками-связями (рис. 1).
В фундаментах и стенах подвалов из крупных сборных блоков нужно производить перевязку блоков в каждом ряду, пересечения стен усиливать путем закладки в горизонтальные швы арматурных сеток, по верху сборных фундаментов (подушек) предусматривать железобетонные пояса (рис. 2). Продольные железобетонные пояса должны быть связаны поперечными железобетонными стойками.
Для зданий повышенной этажности также следует применять монолитные железобетонные ленточные, сплошные плитные фундаменты и фундаменты из перекрестных лент. В зданиях выше 9 этажей необходимо предусматривать монолитный вариант подземной части (рис. 3).
Рис. 1,2,3. Конструкции фундаментов при сейсмических воздействиях: 1 – план ленточного фундамента; 2 – план и разрез отдельных (столбчатых) фундаментов; 3 – подвальная часть здания с плитным фундаментом из монолитного железобетона; 1 – арматурные сетки; 2 – железобетонные балки-связи
В условиях сейсмики применяют как забивные, так и набивные сваи. Набивные сваи рекомендуется устраивать в маловлажных связных грунтах при диаметре свай не менее 40 см и отношении их длины к диаметру не менее 25. В структурно-неустойчивых грунтах применять набивные сваи можно только с обсадными неизвлекаемыми трубами. Армирование набивных свай является обязательным при минимальном относительном армировании, равном 0,05.
В сейсмических районах нашли применение свайные фундаменты с промежуточной распределительной песчаной подушкой (рис. 4). Для того, чтобы свайные фундаменты с промежуточной подушкой обеспечивали распределение сейсмических нагрузок, необходимы определенные соотношения между размерами свай, оголовков и промежуточной подушки.
В связи с этим толщина подушки над оголовками свай назначается в зависимости от расчетной нагрузки на одну сваю и составляет 40 см при нагрузке 600 кН и 60 см – при нагрузках более 600 кН. Размеры фундаментного блока в плане должны быть не менее размеров свайного куста по наружным граням оголовков. Размеры промежуточной подушки в плане принимают больше размеров фундаментного блока не менее чем на 30 см в каждую сторону.
Рис. 4. Свайный фундамент с промежуточной подушкой: I – фундаментный блок: 2 – промежуточная подушка: 3 – железобетонный оголовок; 4 – железобетонная свая; 5 – дно котлована
Чем могут быть вызваны динамические воздействия на сооружения?
Причины могут быть различными: уплотнение грунта трамбовками, забивка свай и шпунта, работа машин с неуравновешенно вращающимися частями – компрессоров, лесопильных рам, прокатных станов, копров, мельниц; движение наземного и подземного транспорта; порывы ветра, сейсмические воздействия, взрывы и др.
Виды динамических воздействий
• Сейсмические воздействия. При землетрясении, в результате осадков, песчаная толща увлекла за собой сваи, вдавив их в подстилаемую глинистую толщу (явление отрицательного трения). Осадка сооружения превысила все допустимые величины
• 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.
• 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.).
Динамические нагрузки могут прикладываться как к сооружению (воздействие ветра на высокое здание, прибоя на набережную), так и непосредственно к основанию (сейсмические толчки, строительные работы, связанные с уплотнением или разрыхлением грунта, в том числе с помощью взрывов, забивки свай и т. п.). Однако ввиду того, что все сооружения так или иначе контактируют с грунтом, расчеты на динамические воздействия производятся как для сооружений, так и для грунтов. При этом для тех и других должны быть выполнены условия прочности, а динамические перемещения, скорости и ускорения должны быть в допустимых пределах.
Распространение волн. 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 [5, 4].
Как известно, для сред, сопротивление сдвигу которых отлично от нуля, характерно наличие как продольных, так и поперечных волн, распространяющихся с разными скоростями. При существовании поверхностей раздела (твердое тело – воздух, жидкость, твердое тело) вдоль них распространяются поверхностные волны. Последние могут быть как волнами Рэлея, так и волнами Лява, если область, примыкающая к поверхности раздела, состоит из двух физически различных областей, то есть слоистая.
Результатом передачи грунтом колебаний на сооружение являются колебательные движения как отдельных конструкций, так и сооружения в целом. Даже при очень малых (в доли микрона) амплитудах колебаний конструкций их сколько-нибудь продолжительное воздействие на человеческий организм может быть неблагоприятным, что требует ограничения амплитуд. Такое же или даже более строгое ограничение предъявляют некоторые современные производства. При совпадении частот колебаний грунта с собственными частотами конструкций зданий возможны явления резонанса, представляющего угрозу прочности всего сооружения.
Резонанс – это совпадение собственной частоты колебаний системы с частотой вынужденных ее колебаний. Амплитуда колебаний всей системы при этом возрастает, иногда резко.
Сопровождается резким возрастанием амплитуды колебаний всей системы.
Именно под воздействием резонанса разрушались такие масштабные сооружения, как мост через реку Такома в США, Египетский мост в Питере. Он рухнул на лёд Фонтанки в 1905 году, когда по нему проходил эскадрон гвардейской кавалерии, навстречу которому двигались 11 саней с возницами [3]. Именно поэтому для военных существует неписаный закон: не ходить «в ногу» по мостам, чтобы уменьшить вероятность возникновения резонанса.
Для рыхлых несвязных грунтов характерно явление виброкомпрессии.
Виброкомпрессия несвязных грунтов – это их дополнительное уплотнение при вибрационных или часто повторяющихся ударных нагрузках. При увеличении частоты вибрации перемещение частиц напоминает явление ползучести и называется виброползучестью. При увеличении частоты колебаний возможно виброразжижение грунта [2].
Однако! Глинистые грунты ввиду наличия связности более устойчивы к динамическим воздействиям, чем песчаные. Однако при пластичной и текучей консистенции этих грунтов динамические нагрузки могут вызывать разрушение их структуры, что необходимо исключать при проектировании и строительстве.
Вместе с тем необходимо отметить, что наблюдаемые при сильных землетрясениях явления разжижения песков и разрушения структуры связных грунтов не могут исчерпывающе объяснять случаи опрокидывания жестких зданий, принимающих после окончания сейсмических толчков почти горизонтальное положение [6].
Какие виды фундаментов рекомендуется применять при наличии динамических нагрузок?
Применяются фундаменты мелкого заложения и свайные. Они могут быть монолитными, сборно-монолитными и сборными. Статические нагрузки на такие фундаменты от оборудования обычно небольшие. Практически применяют фундаменты массивные в виде плиты или блока, стенчатые из поперечных и продольных стен, связанных с фундаментной плитой, и рамные, представляющие пространственную конструкцию из верхней плиты, балок и стоек, опирающихся на фундаментную плиту. Для машин ударного действия с большими нагрузками применяют массивные фундаменты, а для других – облегченные фундаменты [2, 4].
Рис. 5. Примеры устройства фундаментов под машины: а – фундамент под вертикальный компрессор (плита в плане 3´ 4,2 м); б – фундамент под горизонтальный компрессор (плита в плане 4,4´ 7,6 м, заглублена на 2,0 м); в – стенчатый массивный фундамент под мотогенератор (расположен на высоте 6,3 м, размеры в плане 4 ´ 7,9 м): 1 – плита; 2 – подготовка
Фундаменты обычно проектируются отдельными, под каждую машину или группу машин. От фундаментов зданий фундаменты машин отделяются швами. Целесообразно предусматривать виброизоляцию механизмов и машин, гасящую импульсы. Прецезионное оборудование, требующее спокойного режима, отделяется от остального массива и в данном случае гасящие устройства носят оградительный характер [1].
При наличии слабых грунтов толщиной до 1,5 м производится их замена, а при большей мощности – укрепление или устройство свайных фундаментов. Подошва фундаментов обычно прямоугольная в плане, а смежные фундаменты следует закладывать на одной отметке. Среднее давление под подошвой фундамента должно быть меньше расчетного сопротивления R, вычисленного обычным способом, умноженного на два понижающих коэффициента, один из которых зависит от вида грунта, а второй от вида машины. Это произведение изменяется от 1 до 0,35.
Машина вместе с фундаментом представляет жесткое тело с массой, расположенной в центре тяжести действующих статических нагрузок. В расчетах основание не имеет массы и деформируется упруго вязко. Пружины деформируются упруго, а поршни с цилиндрами воспроизводят вязкое сопротивление. Действующие усилия раскладываются на вертикальную и две горизонтальных составляющих, а также на три момента. Считается, что эти воздействия вызывают соответственно три линейных перемещения и три поворота в соответствующих плоскостях [5].
Фундаменты должны быть запроектированы таким образом, чтобы обеспечить нормальную работу машины и исключить влияние вибрации на конструкции и оборудование. Фундаменты рассчитывают на действие статических и динамических нагрузок. К статическим нагрузкам относят: вес фундамента, вес грунта на уступах фундамента, вес машины, вес оборудования.
Динамические нагрузки могут быть периодические, импульсные, ударные, случайные. Также могут быть длительные и кратковременные. Значение динамических нагрузок и частично статических, определяется заводом-изготовителем в техническом задании на проектирование.
