дуже сильні – відповідні вибуховим і сейсмічним навантаженням, при яких відбувається повне руйнування ґрунту на значній за розмірами площі.

За часом дії на ґрунти динамічні навантаження розподіляють на короткочасні й тривалі. Ці навантаження по-різному будуть впливати на споруди та ґрунтові основи.

За частотою впливу на ґрунт динамічні навантаження можуть бути ро з- поділені на: низькочастотні – з частотою впливу до 10Гц; середньої частоти – з частотою в інтервалі 10...25Гц; високочастотні – з частотою понад 25Гц.

Додаткове ущільнення пухких незв’язних ґрунтів при вібраційних чи ударних навантаженнях пов’язано з явищем віброкомпресії. Тривалі нагромадження деформацій за часом при вібраціях визначає процес віброповзучості. У глинистих ґрунтах пластичної і текучої консистенції динамічні впливи можуть привести до їх розрідження (тиксотропії). Розрідження властиве також дрібним і пилуватим піскам, причому розрідження при тривалому впливі може супроводжуватися наступним ущільненням піщаного ґрунту.

Описані явища свідчать про те, що проектування фундаментів споруд при динамічних навантаженнях повинне проводитися з урахуванням можливого зменшення несучої здатності ґрунтової основи. При землетрусі сильний за величиною, але короткочасно діючий імпульс, що виникає, може призвести до руйнування основи, однак не буде викликати значного додаткового ущільнення ґрунту.

17.2. ТИПИ ФУНДАМЕНТІВ ПІД МАШИНИ Й ОБЛАДНАННЯ З ДИНАМІЧНИМИ НАВАНТАЖЕННЯМИ

За впливом динамічних навантажень на фундаменти машини та технологічне обладнання розподіляють на: ті, що створюють вібрації чи коливання; що не створюють, але потребують захисту від вібрації; що не створюють і не потребують захисту від вібрації.

Машини й обладнання першої групи, у свою чергу розподіляються на: А. Періодичної дії – гармонічні (електромашини і турбоагрегати з рівно-

мірно обертовими роторами) та імпульсні (ударно-вібраційні, формувальні машини з кривошипно-шатунними механізмами, транспортні засоби, машини, що ущільнюють матеріали).

Б. Неперіодичної дії – нерівномірне обертання чи зворотно-поступальний рух, що завершуються послідовним або випадковим ударом (привідні електродвигуни прокатних станів, генератори розривних потужностей, ковальськопресове устаткування, копри, дробильне устаткування та ін.).

Характерні графіки зміни динамічних навантажень для машин і устаткування періодичної й неперіодичної дії наведені на рис. 17.2.

Для машин та устаткування періодичної дії (умовно і для неперіодичної) зміну динамічного навантаження F приймаємо за синусоїдальним законом:

де F0 – максимальне значення збурюючої сили (дається в паспорті машини чи

478

визначає вид машини та обладнання.

Масивні фундаменти (рис. 17.3, а) виконують у вигляді суцільних залізо-

Рис. 17.3.Приклади основних конструктивних типів фундаментів під машини:

а – масивний під компресор; б – стінчастий під мотор генератор; в – рамний під турбоагрегат.

479

бетонних блоків чи плит; вони мають простоту форми і виготовлення. Такі фундаменти застосовують у монолітному чи збірно-монолітному виконанні для машин і обладнання періодичної та імпульсної дії.

Стінчасті фундаменти (рис. 17.3, б) складаються з поздовжніх і поперечних стін, жорстко зв’язаних з фундаментною плитою. Стінчасті фундаменти – це масивні фундаменти підвального типу.

Рамні фундаменти (рис. 17.3, в) являють собою рамну конструкцію з верхньою плитою чи системою балок, що спираються через стійки або П-подібні рами на фундаментну плиту. Рамні фундаменти використовують для високочастотних машин та устаткування періодичної дії; їх улаштовують збірними чи збірно-монолітними.

Фундаменти проектують як під окрему машину (агрегат), так і під групу машин. Фундаменти, як правило, відокремлюють наскрізними швами від суміжних фундаментів будинків, споруд і устаткування, а також від підлоги приміщення, що примикає. Для зменшення вібрації фундаментів у тих випадках, коли не порушується технологія виробництва, застосовують віброізоляцію.

Глибина закладання фундаментів визначається його конструкцією, технічними вимогами, інженерно-геологічними умовами й глибиною закладання сусідніх фундаментів. За наявності в основі слабких ґрунтів потужністю до 1,5 м виконується їх заміна, при більшій потужності – їх зміцнення чи застосування пальових фундаментів. Підошва фундаменту, як правило, розташовується на одній позначці; форма і розміри фундаменту визначаються особливостями встановлюваного устаткування.

Розрахунок фундаментів виконується на дію динамічних навантажень. Значення динамічних (дані про амплітуди, частоти, фази, місця прикладання та напрямки дії) і частково статичних навантажень, звичайно, даються заводомвиготовлювачем у технічному завданні на проектування фундаменту.

У розроблення методів розрахунку й проектування фундаментів з динамічними навантаженнями внесли великий вклад Н. П. Павлюк, Е. Рауш, Д. Д. Баркан, О. А. Савінов, М. Новак та інші.

Фундаменти машин (обладнання) і їх основи розраховують за двома групами граничних станів: за першою групою – за несучою здатністю, за другою групою – за деформаціями (коливаннями, прогинами, осіданнями).

17.3. РОЗРАХУНКИ ОСНОВ І ФУНДАМЕНТІВ ПРИ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

Перевірка середнього статичного тиску під підошвою фундаменту на природній основі виконується тільки на дію статичного навантаження. Вплив динамічних навантажень ураховується коефіцієнтами умов роботи ґрунтів основи.

При проектуванні фундаментів під машини (устаткування) з динамічними навантаженнями прагнуть до того, щоб сполучити на одній вертикалі центр ваги площі його підошви і точку прикладання рівнодіючої всіх статичних навантажень. Ексцентриситет, що допускається, не повинен перевищувати 3% сторо-

480

ни підошви фундаменту, у напрямку якої відбувається зсув центра ваги, для

де р – середній тиск на основу під підошвою фундаменту від розрахункових статичних навантажень; γc0 – коефіцієнт умов роботи ґрунтів основи, що враховує характер динамічних навантажень і відповідальність машини (для машин гармонічної дії приймається рівним – 1,0, для періодичного – 0,8, для неперіодичного – 0,5); γc1 – коефіцієнт умов роботи ґрунтів основи, що враховує можливість виникнення тривалих деформацій при дії динамічних навантажень (для дрібних і пилуватих водонасичених пісків та глинистих ґрунтів текучої консистенції приймається рівним 0,7; для всіх інших видів і стану ґрунтів –1,0); R – розрахунковий опір основи, визначається за відомою формулою.

Розрахунок пальових фундаментів машин за несучою здатністю ґрунтів основи виконується на основне сполучення навантажень. При цьому несуча здатність одиночної палі Fd визначається з урахуванням динамічних навантажень шляхом коректування несучої здатності палі в статичних умовах Fs коефіцієнтами умов роботи ґрунтів основи γp і γ1p (приймаються залежно від виду ґрунту й типу палі в інтервалі γp=0,8-1,0 і γ1p=0,7-1,0).

Розрахунки конструкцій фундаментів та окремих їх елементів роблять відповідно до вимог норм проектування бетонних і залізобетонних конструкцій.

При дії динамічних навантажень основа приймається лінійнодеформованою, ідеально пружно-в’язкою і позбавленою маси (неврахування інерції). В’язкість основи зумовлена властивостями ґрунту, що демпфірують, тобто здатністю поглинати пружні хвилі, викликаючи їхнє загасання.

Властивості основи (див. п. 4.12) визначаються коефіцієнтами пружного рівномірного стиску Cz для вертикальних коливань, пружного рівномірного зрушення Cx для горизонтальних коливань, пружно нерівномірного стиску Cφ і пружно нерівномірного зрушення Cψ для обертальних коливань щодо горизонтальної та вертикальної осей. Зазначені коефіцієнти, аналогічні коефіцієнту постелі у моделі основи Вінклера, мають розмірність кН/м3.

Властивості основи, що демпфірують, визначаються характеристиками відносного демпфірування (частка критичного загасання коливань), що є безрозмірними величинами: ξz – відносне демпфірування для вертикальних коливань; ξx – те ж, для горизонтальних коливань; ξzφ і ξzψ – відносне демпфірування для обертальних коливань щодо горизонтальної і вертикальної осей.

Система “машина–фундамент” розглядається як абсолютно тверде тіло з масою, розташованою в центрі ваги діючих статичних навантажень. На рис. 17.4 наведена розрахункова схема фундаменту на пружно-в’язкій основі у випадку вимушених коливань. На фундамент передаються динамічні наванта-

ження: сила F(z,t), що викликає вертикальне переміщення z(t), сила F(x,t) – горизонтальне переміщення x(t); момент M(φ,t) – обертальний рух щодо осі y з кутом

повороту φ(t); момент M(ψ,t) – обертальний рух щодо осі z із кутом повороту ψ(t). Загальне коливальне переміщення фундаменту в просторі визначається чотирма

481

складовими z, x, φ і ψ.

Під впливом динамічних навантажень виникає пружна реакція основи: R0z – у вертикальному напрямку, R0x – у горизонтальному, M0φ і M0ψ – від відповідних обертальних рухів. Ці реакції можуть бути виражені через відповідні коефіцієнти жорсткості К. Так, для рівномірного стиску й зрушення вони рівні:

R0z = Kz z; R0x = Kx x, (17.3)

де Kz і Kx – коефіцієнти жорсткості основи при вертикальних та горизонтальних поступальних коливаннях.

При обертальних коливаннях відповідні реакції основи мають вигляд:

M0ϕ = Kϕϕ ; M0ψ = Kψψ , (17.4)

де Kφ – коефіцієнт жорсткості основи при обертальних коливаннях щодо горизонтальної осі, що проходить через центр ваги підошви фундаменту нормально до площини дії сил, що збурюють; Kψ – те ж, щодо вертикальної осі, що проходить через центр ваги фундаменту.

де Iφ – момент інерції площі підошви фундаменту щодо осі y, Iψ – те ж щодо осі z.

Коефіцієнт пружного рівномірного стиску Cz є основним параметром і звичайно визначається дослідним шляхом (див. п. 4.12). За відсутності дослідних даних коефіцієнт Cz для фундаментів із площею підошви не більше ніж 200 м2 допускається розраховувати за формулою

де b0 – коефіцієнт, м-1, прийнятий рівним: для пісків 1, для супісків і суглинків 1,2, для глин і великоуламкових ґрунтів 1,5; Е – модуль деформації ґрунту ос-

482

нови; А – площа підошви проектованого фундаменту; A0=10м2.

Для фундаментів із площею підошви А>200 м2 Cz приймають як для фундаментів із площею підошви А=200 м2.

При відомому значенні Cz інші коефіцієнти можуть бути прийняті рівни-

ми:

Відносне демпфірування для вертикальних коливань ξz також є основним параметром і визначається експериментально за спеціальною методикою. При відсутності експериментальних даних допускається розраховувати значення ξz за формулами:

- для сталих (гармонічних) коливань

- для несталих (імпульсних) коливань

де р – середній статичний тиск на основу під підошвою фундаменту.

При відомому значенні ξz визначають інші показники відносного демпфірування:

Динамічний розрахунок полягає у визначенні амплітуди змушених і вільних коливань. Основна мета розрахунку – вибрати відповідну масу і розміри фундаменту, при яких виключається прояв неприпустимих коливань (вібрацій). При цьому необхідно визначити найбільшу амплітуду коливань а, величина якої повинна бути менше від установлюваного завданням на проектування значення au,

Для машин групи А значення au призначають від 0,05 до 0,2 мм для високочастотних машин і від 0,25 до 0,5 мм для імпульсних. Для машин групи Б від 0,8 до 1,2 мм, при цьому найбільші значення приймають для ковальсько– пресового устаткування.

Розглянемо коротко основні положення розрахунку масивних і рамних фундаментів на коливання.

Спочатку подамо розрахунок масивного фундаменту на вільні коливання. Фундамент представимо у вигляді матеріальної точки з масою m (рис. 17.5, а). Фундамент виведений зі стану рівноваги і робить вільні коливання (наприклад, ковальський молот, преси, формувальна машина ливарного виробництва і т.п.). Основа розглядається такою, не має маси й здатна до пружно-в’язкого деформування. При цьому опір пружин Rz на рис. 17.5, а, що імітують пружні деформації основи, пропорційно переміщенням фундаменту, а сили в’язкого опору ґрунту (демпфірування) Fzu, що викликають згасання коливань у часі, пропорційні швидкості коливання фундаменту.

Коливання такої системи щодо осі z (висновок дається в курсах теоретич-

483

Рис. 17.5. Розрахункова модель вільних коливань фундаменту (а) і графік

вільних коливань із згасанням (б)

ної механіки) може бути виражене наступним диференціальним рівнянням

нту, z – пружне переміщення, Bz z – реакція основи, що демпфірує, (Bz – коефіцієнт демпфірування), Kzz – пружна реакція основи.

Розділивши рівняння (17.13) на m і після введення позначень Bmz = 2n та

Kmz λ2z , де n – коефіцієнт згасання коливань рівний ξzλz, а λz – кутова частота вільних коливань, одержимо

Рішення рівняння (17.14) залежить від співвідношення величин n і λz. У фундаментах під ударні машини найчастіше λz>n. Тоді рішення цього рівняння має вигляд

де a – амплітуда коливань, λz′ – частота загасаючих коливань, α – початкова

фаза коливань.

З рівняння (17.15) одержимо формулу для визначення амплітуди вільних коливань із загасанням

де z0 – початкове переміщення, z0 – початкова швидкість.

Характерний графік вільних коливань із загасанням наведений на рис. 17.5, б.

Розглянемо розрахунок масивного фундаменту на вимушені коливання від вертикальної сили Fz. До розрахункової моделі на рис. 17.5, а в центрі фундаменту поряд із масою m прикладена динамічна сила Fz, під впливом якої сис-

484

де az – амплітуда змушених коливань, a0 – величина переміщення фундаменту при статичній дії сили Fz, тобто a0 = Fz / Kz .

Зону, в якій відношення 0,75<ω/λz<1,25, називають резонансною. Зону з ω/λz≤0,75 (на графіку рис. 17.7 позначена I) називають дорезонансною, і в цю зону намагаються перевести низькочастотні ударного дії машини й устаткування групи Б. Зону з ω>λz (зона II) називають післярезонансною і в цю зону переводять високочастотні машини гармонійної дії групи А. З рис. 17.7 також випливає, що врахування опору середовища ξz навіть в області, близькій до резонансу, значно знижує величину амплітуди коливань і робить її кінцевою при резонансі.

Розрахунок масивного фундаменту на дію горизонтальних та обертальних коливань у принципі подібний викладеному вище розрахунку на вертикальні коливання.

Розрахунок рамних фундаментів, що застосовуються під високочастотні машини, проводиться за аналогією з масивними. Відмінність полягає в тому, що при визначенні амплітуди коливань ураховується не тільки твердість основи, але й твердість рамного фундаменту. У рамних фундаментах основне значення мають горизонтально-обертальні коливання, що визначаються за формулами:

для горизонтальних коливань

486

для обертальних коливань верхньої плити фундаменту щодо вертикальної осі, що проходить через центр ваги, амплітуда (кут повороту)

У формулах (17.25) і (17.26), крім використаних раніше: Sx і Sψ – коефіцієнти жорсткості всієї системи “фундамент–основа” у напрямку діючих збурюючих сил ξx; і ξψz – відносне демпфірування системи в тих же напрямках; λx і λψ

– кутові частоти горизонтальних та обертальних коливань фундаменту. Показники S, λ і ξ залежать від характеристик пружних та демпфіпуючих

властивостей ґрунтів основи й зв’язані з коефіцієнтами В і К у рівнянні типу

(2.17).

У якості розрахункової розглядається амплітуда горизонтально – обертальних коливань верхньої плити, тобто

де ℓb – відстань від центра ваги верхньої плити до осі найбільш віддаленого підшипника машини.

17.4. ПОШИРЕННЯ КОЛИВАНЬ У ҐРУНТІ ВІД ФУНДАМЕНТІВ– ДЖЕРЕЛ І ЗАХОДИ ЩОДО ЇХНЬОГО ЗМЕНШЕННЯ

Фундаменти машин й устаткування з динамічними навантаженнями є джерелами хвиль, що поширюються в ґрунті, що створюють шкідливий вплив на розташовані поблизу конструкції будинків та споруд, об’єкти з устаткуванням і апаратурою, чутливою до вібрацій, а також житлові будинки.

Коливання, що поширюються від фундаментів-джерел, можуть викликати нерівномірні осідання фундаментів та додаткові напруги в розташованих поблизу будинках і спорудах, що приводить до утворення в них тріщин і навіть їх руйнування, впливають на роботу іншого устаткування, що обслуговує персонал тощо.

Найбільший вплив на коливання конструкцій, розташованих поблизу будинків та споруд, створюють хвилі, що поширюються в ґрунті від фундаментів низькочастотних машин (із частотою менше ніж 10Гц) і збуджують коливання з частотами, близькими до частот власних коливань будинків. Коливання від машин із середньою (більше ніж 10Гц) і високою (більше ніж 25Гц) частотою є, як правило, менш небезпечними для сусідніх споруд, що зумовлено: по-перше, відсутністю умов виникнення резонансних коливань будинків, а по-друге, більш інтенсивним загасанням високочастотних коливань із відстанню від джерела коливань.

Коливання від машин й устаткування ударної дії (ковальських молотів, копрів, формувальних машин ливарного виробництва) можуть викликати значні осідання ґрунтів, особливо водонасичених піщаних і як наслідок, деформації конструкцій, розташованих у безпосередній близькості.

Коливання, що поширюються від фундаментів-джерел, у деяких випадках

487

можуть виявитися шкідливими, навіть якщо їхня амплітуда не перевищує що допускається. Тому фундаменти машин і устаткування з динамічними навантаженнями варто розташовувати на максимально можливій відстані від об’єктів, чутливих до вібрацій, а також від житлових і громадських будинків.

З метою запобігання розвитку осідань та деформацій фундаментів будинків і споруд, розташованих поблизу джерел коливань, у випадку тривалої дії вібрацій при проектуванні фундаментів будинків та споруд варто забезпечити умову

де р – середній статичний тиск під підошвою фундаменту; γc1 – коефіцієнт умов роботи(див. формулу 2.2); R – розрахунковий опір основи.

Для зменшення шкідливого впливу вібрацій застосовують активні й пасивні методи. У числі активних методів: збільшення маси фундаменту-джерела, підвищення жорсткості основи (ущільнення верхнього несучого шару чи влаштування подушки з твердого ґрунту, закріплення ґрунту шляхом ін’єкціювання цементу чи хімічних реагентів, пальові фундаменти), віброізоляція, динамічні гасителі коливань, приєднання до фундаменту залізобетонних плит, зміна частоти обертання машин, улаштування загального фундаменту під кілька машин, з’єднання фундаменту-джерела з бетонною підготовкою підлоги і т.д. До числа пасивних методів належать пружні прокладки в машинах ударної дії, шпунтові огородження, вертикальні екрани з піску, віброізольовані площадки для обслуговуючого персоналу.

Використання активної віброізоляції ефективне для високочастотних машин усіх видів, деяких низькочастотних машин (за винятком найбільш тихохідних і незрівноважених), а також молотів.

Віброізоляція полягає у відокремленні верхньої частини фундаменту, на яку встановлюють машину, від нижньої, що спирається на основу, з розташуванням між ними віброізоляторів. Останні можна влаштовувати з гуми, природної пробки, войлоку, пружин тощо, залежно від типу машин. Так, металеві пружинні віброізолятори використовують лише для встановлення добре зрівноважених машин періодичної дії. Іноді застосовують комбіновані віброізолятори, які складаються з пружин та гумових елементів. Така система ізолювання показана на рис. 17.8, де зображено конструкцію фундаменту під штампувальний молот (О. О. Савинов, 1979). У такому фундаменті використані дерев’яні підшаботні прокладки у кілька рядів, які зменшують інтенсивність удару на фундаментний блок (підшаботну частину). Крім того, влаштовують підфундаментний залізобетонний короб, на дні якого прокладено смуги віброізоляторів. Товщина підшаботної плити залежить від ваги падаючої частини молота і може бути 1,25-3,0 м.

Проміжок між ізольованим фундаментним блоком та стінками короба приймається 0,1 м, а дерев’яні (дубові) прокладки – 0,2-1 м завтовшки.

Унаслідок недосконалості методів динамічного розрахунку фундаментів, неточності вихідних даних або інших факторів мають місце випадки, коли при роботі машин виникають недопустимі вібрації, що негативно впливає на експлуатацію будівель і споруд та іншого обладнання. В такому разі зменшення

488

впливу коливань може бути досягнуте за рахунок заходів пасивної віброізоляції, заміни незрівноважених машин, використання спеціальних віброгасників або перебудови конструкції фундаментів.

Конструктивні способи зниження рівня коливань існуючих фундаментів можуть бути розділені на три групи:

-збільшення жорсткості основи фундаменту шляхом збільшення розмірів підошви фундаменту, пересадки його на палі, хімічного закріплення грунту тощо. Для цього при проектуванні фундаментів передбачають випуски арматурної сталі в ни жній частині масиву або отвори в консольних частинах, що дає можливість улаштування набивних паль;

-зміна маси або жорсткості окремих елементів фундаменту, коливання яких недопустимі;

-підвищення жорсткості фундаменту при дії горизонтальних сил за способом, запропонованим М. П. Павлюком і О. Д. Кондіним.

У той час, коли методи двох перших груп потребують великих затрат та тривалого зупинення машин, спосіб М. П. Павлюка й О. Д. Кондіна має беззаперечні переваги. Він полягає в приєднанні до фундаменту під машину простої бетонної плити, розміщеної на верхньому шарі грунту. Розміри плити встановлюють за розрахунком. Вона може навіть виходити за межі контуру стін споруди. Товщина плити залежно від потужності машини – 400-800 мм. Доцільно між фундаментом та плитою передбачити шарнір, який спрацьовує при нерівномірності їх осідання (рис. 17.9). Така додаткова конструкція здатна істотно зменшити амплітуду коливань і не потребує докорінної переробки фундаменту під машину.

Фундаменти-джерела коливань, як правило, повинні відокремлюватися

489

17.5.РОЗРАХУНОК ОСНОВ І ФУНДАМЕНТІВ

УСЕЙСМІЧНИХ РАЙОНАХ

Природу сейсмічних явищ розглянуто у п. 2.4.

Окремі ділянки земної кори зазнають сильних струсів, які називають землетрусами. Сила землетрусів в епіцентрі оцінюється у балах за 12-бальною шкалою MSK-64. В гіпоцентрі землетруси класифікують за 9-бальною шкалою Ріхтера залежно від магнітуди. Співвідношення даних цих шкал залежить від глибини розташування гіпоцентру і визначається за формулою (2.1).

Найбільш сейсмічними районами в Україні є Прикарпаття, Одещина та Крим. У цих районах проживає кожен десятий громадянин України. Коли врахувати збільшення населення в курортних районах за сезон, то набагато більше.

Спостереження за наслідками численних землетрусів показали, що в різних частинах одного сейсмічного району вони значно відрізняються за інтенсивністю. Так, інтенсивність струсу на поверхні землі на ділянках із сипкими ґрунтами у 15 разів більша, ніж на ділянках із скельними. Тому будівельними нормами введено поняття уточненої сейсмічності, за якою складають карти мікросейсморайонування. Сейсмічність конкретного будівельного майданчика залежно від ґрунтових умов установлюють за даними таблиці 17.1.

До першої (І) категорії відносять: скельні ґрунти всіх видів, невивітрілі та слабковивітрілі; великоуламкові ґрунти малого ступеня водонасичення з магматичних порід, що містять до 30% піщано-глинистого заповнювача.

До другої (ІІ) категорії відносять: скельні ґрунти, вивітрілі та дуже вивітрілі; великоуламкові ґрунти, крім тих, що віднесені до І категорії; піски гравелисті, крупні та середньої крупності, щільні й середньої щільності, малого і середнього ступеня водонасичення; піски дрібні та пилуваті, щільні й середньої щільності, малого ступеня водонасичення; глинисті ґрунти з показником текучості IL≤0,5 і коефіцієнтом пористості e<0,9 для глин та суглинків і e<0,7 для

490

супісків.

До третьої (ІІІ) категорії відносять: піски пухкі незалежно від вологості й крупності; піски гравелисті, крупні та середньої крупності, щільні і середньої щільності, водонасичені; піски дрібні та пилуваті, щільні й середньої щільності, середнього ступеня водонасичення та насичені водою; глинисті ґрунти з показником текучості IL>0,5; глинясті ґрунти з показником текучості IL<0,5 з коефіцієнтом пористості e≥0,9 для глин та суглинків і e≥0,7 для супіску.

Таблиця 17.1. Оцінка сейсмічності ділянки будівництва залежно від ґрунтових умов

Слід мати на увазі, що при неоднорідному нашаруванні ґрунт ділянки будівництва належить до більш несприятливої категорії за сейсмічними властивостями, якщо в межах 10-метрового шару ґрунту (рахуючи від позначки планування) шар, віднесений до цієї категорії, має загальну товщину понад 5 м. Категорію ґрунтів та показники їх властивостей визначають з урахуванням прогнозу змін рівня ґрунтової води, а також можливості зволоження основи.

Крім викладеного вище, враховують і те, що будівлі й споруди залежно від призначення та капітальності поділено на три категорії. Для кожної категорії встановлюється розрахункова сейсмічність, яка теж може бути нижчою, дорівнювати або перевищувати сейсмічність будівельного майданчика.

Будівельними нормами встановлено, що спеціальних заходів щодо пристосування будівель та споруд до сейсмічного впливу вживають, якщо інтенсивність сейсмічності району 7 і більше балів за шкалою MSK-64. Тільки для таких районів уточнюють сейсмічність й уживають відповідних заходів. Винятком із цього правила можуть бути лише унікальні споруди. Наприклад, телевізійна вежа в Останкіно (Москва) побудована з урахуванням сейсмічності 8 балів.

Проектування сейсмостійких фундаментів полягає у наданні їм власти-

востей не руйнуватися, не втрачати стійкості форми і не перекидатися при дії, крім звичайних навантажень інерційних (сейсмічних) сил, які виникають при землетрусах. Відповідно до цих положень, проектування основ та фундаментів з урахуванням сейсмічних навантажень виконується на основі розрахунків за несучою здатністю на особливе поєднання навантажень. Попередній розрахунок основ і фундаментів виконують за деформаціями. На цьому етапі сейсмічні навантаження не беруть до уваги. Розрахунок за несучою здатністю основи проводиться для забезпечення міцності скельних і стійкості нескельних ґрунтів, а також виключення зсуву фундаменту по підошві і його перекидання. Цей розрахунок забезпечує збереження будівельних конструкцій, вихід яких із ладу загрожує руйнуванням будівлі чи окремих її частин. У той же час допускається пошкодження елементів конструкцій, руйнування котрих не загрожує безпеці людей і збереженню облад-нання. Тому деформації основи можуть перевищу-

491

492

власних коливань споруди:

тут Qk – вага будівлі або споруди, віднесена до точки k; A – коефіцієнт, значен-

ня якого приймаються 0,1; 0,2 або 0,4 залежно від розрахункової сейсмічності відповідно 7, 8 або 9 балів; βі – коефіцієнт динамічності, який відповідає і-му

тонові коливань залежно від категорії ґрунту та періоду власних коливань, βі=0,8...3; Kψ – коефіцієнт демпфірування, залежно від характеристики конс-

трукцій Kψ =1...1,5; ηik – коефіцієнт, що залежить від форми деформацій споруди, розміщення навантажень:

де xi( xk ), xi( xj ) – зміщення споруди при власних коливаннях у точці K та в

усіх точках j, де відповідно до розрахункової схеми вага прийнята зосередженою; Q j – вага споруди, віднесена до точки j.

Робота основи при сейсмічних впливах має наступні особливості:

1.Одночасний вплив на основу статичних і динамічних навантажень.

2.Утворення зон пластичних деформацій із можливим формуванням поверхні ковзання, що приводить у цілому до зменшення несучої здатності основи. Врахування зменшення несучої здатності враховується зниженням розрахункового значення кута внутрішнього тертя φ від 2° при 7, 4° при 8 і 7° при 9 балах.

3.Унаслідок пружної податливості ґрунту основа повинна мати достатню несучу здатність, забезпечуючи сприйняття навантажень при коливаннях, а також припустиму для будинків і споруд деформативність. Пружна податливість основи впливає на періоди й форми коливань будинків та споруд і позначається на величинах сейсмічних навантажень.

4.У розрахунках основ приймається особливе сполучення навантажень з урахуванням нахилів та ексцентриситетів зовнішнього навантаження, а також об’ємних сил інерції ґрунту.

5.Проектування основ виконується на основі розрахунку за несучою здатністю. Попередні розміри фундаментів можуть визначатися розрахунком основи за деформаціями на основне сполучення навантажень без урахування сейсмічних впливів.

6.Розрахунок за несучою здатністю основи виконується для забезпечення міцності скельних і стійкості нескельних ґрунтів, а також для виключення зрушення фундаменту по підошві та його перекидання.

7.Площадки будівництва з крутістю схилів більше ніж 15°, близькістю площин скидів, сильною порушеністю порід фізико-геологічними процесами, просадочністю ґрунтів, зсувами, карстом, гірськими виробками, пливунами є несприятливими в сейсмічному відношенні. За необхідності будівництва на та-

493

чного опору основи при сейсмічному впливі.

Вертикальну складову сили граничного опору основи Fu,eq визначають з урахуванням ординат епюри граничного тиску по краях підошви прямокутного фундаменту (рис. 17.12), що рівні

де ξq , ξc , ξγ – коефіцієнти форми підошви фундаменту в плані, що обчислюються як

де ℓ – довжина фундаменту в напрямкові, перпендикулярному розрахунковому. У формулах (17.33) і (17.34) Φ1, Φ2 , Φ3 – коефіцієнти несучої здатності,

що залежать від розрахункового кута внутрішнього тертя φ, визначені за графіками рис. 17.12; γ ′ і γ – відповідно розрахункові значення питомої ваги шарів

ґрунту вище та нижче від підошви фундаменту; d – мінімальна глибина закладання фундаменту, с – розрахункове значення питомого зчеплення; Keq – коефіцієнт, прийнятий рівним 0,1, 0,2 і 0,4 при сейсмічності площадки будівництва в 7, 8 та 9 балів відповідно. Якщо у формулі (17.34) Φ2 < KeqΦ3 , то варто прий-

мати pb=p0.

Формули (17.35) застосовні за умови 1 ≥ b ≥ 0,2. Якщо 1 ≥ b ≥ 0,2 , то фундамент розраховують як стрічковий, тоді ξq =ξc =ξγ =1. При b < 0,2 використовують наступні значення коефіцієнтів ξq = 2,5, ξc =1,3, ξγ = 0,7 . Однак

при цьому необхідно зробити додаткову перевірку стійкості основи в поперечному напрямку.

Залежно від співвідношення величин ексцентриситетів розрахункового навантаження е й епюри граничного тиску eu (див. рис. 17.11) значення Fu,eq виконують:

Значення відповідних ексцентриситетів розраховуються за формулами:

де F і M – вертикальна складова розрахункового навантаження і момент, приведені до підошви фундаменту при особливому сполученні навантажень. Величини е й eu розглядаються з однаковим знаком, тому що при цьому має місце найбільш невигідне для несучої здатності основи сполучення діючих навантажень.

При розрахунках основ та фундаментів з урахуванням сейсмічних впливів допускається частковий відрив підошви фундаменту від ґрунту, тобто вихід

495

рівнодіючої за межі ядра перетину (e>b/6). При цьому в площині дії моменту потрібно виконання наступних умов: ексцентриситет розрахункового навантаження не повинен перевищувати 1/3 ширини фундаменту, тобто e≤b/3; сила граничного опору основи Fu,eq має визначатися для умовної ширини підошви фундаменту, рівної розміру стиснутої зони bc=1,5(b-2e).

Максимальний крайовий тиск під підошвою фундаменту з урахуванням його неповного опирання на основу повинен відповідати умові

Горизонтальна складова навантаження Т ураховується при перевірці стійкості будинків і споруд на перекидання й зрушення по підошві фундаменту, що в багатьох випадках задовольняється. Перевірка на зрушення по підошві є обов’язковою за наявності діючих горизонтальних навантажень в основному сполученні (глибокі підвали, підпірні стіни і т.д.). У цьому випадку враховується тільки тертя підошви фундаменту об ґрунт, а коефіцієнт надійності γn у формулі (17.32) приймається рівним 1,5, тобто

Галузь застосування пальових фундаментів у сейсмічних районах в

основному та ж, що й у несейсмічних, тобто пальові фундаменти при сейсміці застосовуються в аналогічних ґрунтових умовах. Як і в статичних умовах, для прийняття остаточного варіанта фундаменту в сейсмічних районах необхідно провести техніко-економічне порівняння варіантів.

При проектуванні пальових фундаментів у сейсмічних районах нижні кінці паль варто спирати на скельні й великоуламкові ґрунти; щільні і середньої щільності піски; тверді, напівтверді та тугопластичні глинисті ґрунти. Опирання нижніх кінців паль на пухкі водонасичені піски, глинисті ґрунти з IL>0,5, тобто м’якопластичної, текучопластичної і текучої консистенції, не допускається.

Заглиблення паль у ґрунт повинне бути не менше ніж 4 м, крім випадків їхнього опирання на скельні й великоуламкові ґрунти.

Набивні палі в сейсмічних районах улаштовують у маловологих глинистих ґрунтах при діаметрі паль не менше ніж 40 см і відношенні їхньої довжини до діаметра не більше ніж 25. При цьому необхідно вести строгий контроль за якістю виготовлення паль відповідно до проекту. Як виняток допускається прорізання набивними палями шарів водонасичених ґрунтів із застосуванням обсадних труб, що витягаються, чи глинистого розчину. У структурно-нестійких ґрунтах набивні палі влаштовують з обсадними трубами, що залишаються в ґрунті. Армування набивних паль є обов’язковою умовою їхнього використання.

496