Проектирование элементов усиления зданий и сооружений

Пояса усиления, запроектированные для наиболее невыгодных условий замачивания грунтов основания и проявления неравномерных деформаций, могут обеспечить эксплуатационную надежность зданий. Вся сложность расчета поясов состоит в том, что в реальных условиях замачивание грунта может произойти самым необычным способом, трудно поддающимся прогнозированию. Надземные конструкции и фундаментно-подвальная часть здания, взаимодействуя с основанием, оказывает влияние на перераспределение контактных давлений по подошве фундаментов, что в свою очередь обуславливает изменение деформаций основания. Пояса усиления рассчитываются как составные элементы балки-стенки, расположенной на основании переменной жесткости.

Обычно при проектировании поясов вводятся отдельные упрощения, позволяющие с помощью несложных расчетов определять усилия в конструктивных элементах, возникающие при неравномерных деформациях грунтов основания. Статистический расчет конструкций жилых домов на восприятие усилий от неравномерных деформаций грунтового основания выполняется как одномерной балочной системы бесконечной жесткости при H/ 2 l ≥ 0,75 и как балки конечной жесткости при H/ 2 l < 0,75. Здесь приняты обозначения: H – высота здания, равная расстоянию от подошвы фундамента до карниза; 2 l - длина здания или отдельной секции (рис. 16). Если несущими являются поперечные стены, то вместо длины здания 2 l подставляют длину поперечной стены.

В соответствии с исходными предпосылками в качестве расчетной модели основания принимается модель переменного коэффициента жесткости, механические свойства которой характеризуются средним коэффициентом с, кПа, вычисленным по прогнозируемым деформациям основания

, (6.1)

где р – средняя расчетная равномерно распределенная нагрузка на основание, приходящаяся на 1 м длины здания, кН/м;

- средняя осадка здания, м.

Обычно нагрузку находят для отдельного отсека или всего здания при наличии фундаментов различной ширины b_i и глубины заложения d_i, используя формулу

, (6.2)

где p_i - расчетная нагрузка на 1 м основания i- го фундамента, кн/м;

; (6.3)

р_∑ - суммарная расчетная нагрузка на 1 м основания i- го фундамента, кН/м;

γ_II - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м³.

Средняя осадка здания вычисляется по формуле

, (6.4)

S_i - осадка i- го фундамента, м, определяемая с учетом наличия уплотненного слоя грунта в основании;

A_i - площадь подошвы i- го фундамента, м².

Полагая, что при строительстве на площадках c грунтовыми условиями I типа по просадочности возможно частичное или полное устранение просадочных свойств грунта в пределах деформируемой зоны, находят жесткость основания с учетом этого обстоятельства

, (6.5)

где m_c1 - коэффициент снижения жесткости основания

. (6.6)

Коэффициент изменчивости сжимаемости грунта при частичном устранении просадочных свойств в деформируемой зоне находят по формуле

, (6.7)

где - расчетная просадка грунта в пределах деформируемой зоны; при частичном устранении просадочных свойств грунта рассчитывается просадка в слое h_н, расположенном в пределах деформируемой зоны ниже уплотненного слоя грунта.

Полудлина участка с переменным значением коэффициента жесткости основания находится по формуле:

, (6.8)

где EI – изгибная жесткость здания, приведенного к балке конечной жесткости;

l_н - длина участка, на котором может проявиться неравномерная просадка грунта

, (6.9)

d - глубина заложения подошвы фундамента;

h_u – глубина расположения источника замачивания;

β – угол растекания воды от источника замачивания в грунте основания;

m_β - коэффициент, учитывающий неоднородность грунтов основания по фильтрационным свойствам.

Значение m∙tgβ принимается в зависимости от вида грунта, залегающего в нижнем слое h_н в пределах деформируемой зоны. Если слой h_н сложен лессовидными супесями m∙tgβ = 0,7, лессовидными суглинками - m∙tgβ = 1,2.

Обобщенные усилия в сечении стены здания – изгибающий момент M_max,x и поперечная сила Q_max,x на площадках, сложенных грунтами I типа по просадочности, определяется в зависимости от жесткости здания.

При

; (6.10)

/ π (6.11)

Здесь ,

где

, (6.12)

, (6.13)

GA – сдвиговая жесткость здания, приведенного к балке конечной жесткости;

m_q - rкоэффициент, корректирующий расчетную схему и принимаемый m_q = 0,7.

При H/ 2 l ≥ 0,75

; (6.14)

, (6.15)

l_p - расчетная полудлина участка местного ослабления жесткости основания.

Знак плюс принимается при выгибе здания, минус – при прогибе.

При расчете поясов усиления необходимо определять продольные растягивающие или сжимающие усилия N ₁ и N ₂, расположенные ниже (фундаментно-подвальная часть) и выше (надземная часть) нейтральной оси балки-стенки.

, (6.16)

где а – расстояние между усилиями N ₁ и N ₂ (плечо момента сил)

. (6.17)

Высота эпюр продольных сил h ₁и h ₂ при прогибе здания принимается h ₁ = 0,4 l, при выгибе – h ₁ = 0,2 l, при - h ₂ = H - h ₁, при - h ₂= 2 l - h ₁.

При проектировании здания на лессовых грунтах II типа по просадочности максимальные усилия M_{max, II}и Q_{max, II} находят с учетом суммарных неравномерных деформаций при просадках в пределах деформируемой зоны и от собственного веса грунта.

Изложенная выше методика определения усилий при проектировании поясов усиления основана на использовании упрощенной расчетной схемы. Для повышения точности расчетов принимается уточненные расчетные схемы сооружения в виде сложной многоэлементарной системы (стержневой, пластинчатой, пластинчато-стержневой и т.п.) с учетом нелинейной деформируемости грунтового основания и надземных конструкций.