Войти  |  Регистрация
Авторизация

Фундаменты с анкерами



Исследование работы фундаментов в лабораторных условиях. На фундаменты ряда промышленных зданий и сооружений (например, нефтехимических установок) действуют значительные горизонтальные и моментные нагрузки, в то время как вертикальная нагрузка имеет незначительную величину, вследствие чего на основание передаются существенные внецентренные нагрузки. Фундаменты, передающие значительные внецентренные нагрузки на основание, имеют развитую в плане подошву, что существенно снижает среднее напряжение по подошве, которое не превышает порой 30—40 % расчетного сопротивления грунта основания. Поэтому фундаменты подобных сооружений оказываются весьма материалоемкими и неэкономичными.
При названных сочетаниях нагрузок фундаменты на естественном основании целесообразно устраивать с анкерами. Использование в этом случае анкеров, применяемых для крепления подземных сооружений, не обеспечит совместную работу системы анкер — основание — фундамент. Это обусловлено тем, что при осадках фундамента, превышающих величину предварительного натяжения анкера, последний не будет воспринимать выдергивающие усилия. Поэтому в сжимаемых грунтах многократно изменяющаяся по знаку внецентренная нагрузка может восприниматься только жесткими анкерами, надежно соединенными с фундаментами. Этому требованию отвечают фундаменты, в которых в качестве анкеров используются сваи трения. При знакопеременных нагрузках анкеры работают на выдергивающие и на вдавливающие нагрузки, уменьшая при этом величину отрыва подошвы, и перераспределяют контактные напряжения.
Следует отметить, что фундамент с анкерами принципиально отличается от свайного фундамента. Если в последнем свая является основным конструктивным элементом, передающим нагрузку на грунт основания, то в фундаменте с анкерами свая служит в качестве вспомогательного элемента, при этом нагрузка от сооружения передается на грунт основания плоской подошвой фундамента.
С целью изучения совместной работы фундамента с анкером и основания были проведены эксперименты в лабораторных условиях. В опытах, проводимых в лотке размером 8х8х8 м, в качестве грунта использовали песок средней крупности, который с помощью грейфера отсыпали слоями толщиной 30—40 см. После отсыпки песок увлажняли и уплотняли площадочным вибратором в течение определенного времени. В результате такой технологии удалось получить однородное основание, плотность сухого грунта которого составляла 1,67±0,03 т/м3, влажность — 0,049 %, угол внутреннего трения — 33°, удельное сцепление — 3 КПа и модуль деформации 27 МПа, В качестве опытных фундаментов использовали железобетонные штампы размерами 0,75х0,75 и 0,75х1,5 м высотой 0,2 м. Штампы армировали пространственными каркасами, рабочая арматура которых диаметром 20 мм расположена в верхней и нижней части штампа. Опытные штампы представляли собой жесткие конструкции, исключающие появление в них трещин. Для соединения анкеров с фундаментами в последних предусматривали сквозные отверстия.
В опытах использовали анкеры двух типов — гибкий и трубчатый Первые выполняли из арматуры диаметром 25 мм, на конце которой с помощью ребер жесткости приваривали квадратную пластину размером 200х200 мм. Трубчатый анкер выполняли из труб диаметром 130 мм, внутри труб помещали металлический стержень диаметром 25 мм, с одного торца которого приваривали круглую пластину диаметром 220 мм. Наличие натяжной гайки позволяло осуществлять предварительное натяжение анкера, вследствие чего увеличивалось его сопротивление изгибу. На анкеры наклеивали тензорезисторы, с помощью которых определяли действующие в них растягивающие усилия В опытах применяли гибкие анкеры длиной 840 и 1340 мм и трубчатые длиной 880 мм.
Опытные фундаменты устанавливали на поверхность песчаного основания. Нагрузку их осуществляли с помощью домкрата, который смещался относительно центра фундамента, обеспечивая тем самым необходимый эксцентриситет. Домкрат жестко упирался в силовые устройства на фундамент, что позволяло выдерживать постоянный эксцентриситет.
В процессе испытаний определяли контактные напряжения с помощью заранее протарированных мессдоз типа М-70/11 4 и M 70/11-10, позволяющих измерять напряжения до 0,4 и 1 МПа.
Для определения несущей способности анкеров были проведены их испытания выдергивающими нагрузками. Испытания показали, что начальный участок зависимости их перемещений от на грузки линейный, при определенной нагрузке переходит в нелинейный. Средние значения нагрузок, соответствующие пределу пропорциональности этой зависимости, составляли для гибкого короткого анкера — 5,3 кН, для гибкого длинного — 15,7 кН и для трубчатого — 4,6 кН, а соответствующие им перемещения равны 0,4; 2,6 и 1,5 мм. Предельные выдергивающие усилия оказались равными для гибкого короткого анкера — 7,4 кН, гибкого длинного — 24,5 кН, а для трубчатого — 6,6 кН.
Фундаменты с анкерами

Эксперименты выявили характер деформирования грунта при выдергивании анкера. При перемещении гибкого короткого и трубчатого анкеров, у которых отношение глубины заложения опорной плиты к ее ширине составляло 2,7, образовались конусы выпора на поверхности грунта. Перемещения гибких длинных анкеров, для которых указанное выше отношение равно 5, приводило к образованию уплотненного ядра над опытной плитой без выпора грунта на поверхности.
При испытании анкеров измеряли показания тензометрических датчиков на всех ступенях нагружения. Изменение показаний тензометрических датчиков на единицу относительной деформации соответствует изменению выдергивающей нагрузки: для гибких коротких анкеров — 0,6 кН, для трубчатых — 0,4 кН, гибких длинных — 0,67 кН. Эти значения соответствуют напряжению растяжения в стержнях анкеров соответственно в 1,9; 2,6 и 2,1 МПа.
В процессе испытаний фундаментов без анкеров получены осадки нагруженного и разгруженного краев при различных значениях среднего давления по подошве и эксцентриситета (рис. 2.14). Анализ полученных зависимостей показывает:
- с увеличением среднего давления возрастает осадка наиболее нагруженной грани фундамента;
- при этом осадка возрастает линейно до определенного давления, превысив которое зависимость носит нелинейный характер;
- давление, при котором указанная выше зависимость переходит из линейной в нелинейную область, определяется эксцентриситетом;
- при постоянном эксцентриситете и определенном давлении наблюдается подъем наименее нагруженной грани фундамента, что характеризует отрыв его подошвы от основания.
В табл. 2,2 приведены значения отрыва подошвы фундамента в зависимости от относительного эксцентриситета и среднего давления по подошве. Увеличение среднего давления при постоянном эксцентриситете приводит к возрастанию разности между осадками нагруженного и разгруженного краев фундамента, т. е, к появлению его крена.
Фундаменты с анкерами

Анализ опытных данных показывает следующее: зависимость крена от среднего давления имеет линейный характер в пределах определенных значений этого давления, превысив которые зависимость носит нелинейный характер. При этом большему эксцентриситету соответствует больший диапазон давления, в пределах которого зависимость имеет линейный характер. Так, например, для квадратного фундамента при е=0,1 а — линейная зависимость наблюдается при давлении до 0,35 МПа, а при е=0,2, а — при давлении до 0,25 МПа;
форма фундамента оказывает существенное влияние на величину крена. Так, при постоянном давлении, равном 0,1 МПа, крен, соответствующий 0,004, возникает при эксцентриситете е=0,23 а — для квадратного фундамента и при е=0,3 а — для прямоугольного. Аналогичная картина наблюдается и при среднем давлении: так, при постоянном значении эксцентриситета одинаковому крену соответствует большее среднее давление по подошве прямоугольного фундамента.
При небольших эксцентриситетах и средних давлениях по подошве экспериментальные значения крена и значения, вычисленные по СНиП 2.02.01—83, практически совпадают; по мере возрастания указанных величин экспериментальные значения крена оказываются в 1,3—1,5 выше расчетных.
В процессе экспериментов наблюдалась потеря несущей способности основания, характеризуемая резким ростом осадки без увеличения нагрузки, образованием трещин и выпором грунта возле наиболее нагруженной грани. В табл. 2.3 приведены значения эксцентриситетов и средних давлений, при которых происходит потеря несущей способности основания.
Фундаменты с анкерами

Из табл. 2.3 следует, что с увеличением эксцентриситета резко уменьшается несущая способность основания.
Выше отмечалось, что среднее давление, характеризующее переход зависимости осадки от нагрузки из линейной области в нелинейную, определяется эксцентриситетом. Установлено, что увеличение эксцентриситета приводит к резкому уменьшению указанного давления и составляет примерно 0,45—0,65 среднего давления, при котором наблюдается потеря несущей способности.
На рис. 2.15 приведены эпюры контактных давлений, полученные экспериментальным путем, и расчетные эпюры, вычисленные по формулам внецентренного сжатия. Как видно из рисунка, распределение напряжений носит криволинейный характер, при этом наибольшее напряжение возникает под наиболее нагруженной половиной фундамента, между точкой приложения нагрузки и его краем. Проведенная проверка по уравнениям равновесия показала, что сумма внешних и реактивных усилий отличается на 10—15%. Характерные значения напряжений, полученные экспериментальным и расчетным путем, приведены в табл. 2.4. За наибольшее среднее давление принято значение, при котором крен фундамента не превышает 0,006.
Фундаменты с анкерами

Анализ данных табл. 2.4 показывает, что возрастание эксцентриситета приводит к увеличению неравномерности распределения контактных напряжений. Так, для квадратного фундамента, отношение pe/p0 при эксцентриситете е0=0,1 составляет 1,2, а при е0=0 25/З. При этом видно, что максимальные измеренные напряжения практически совпадают с вычисленными краевыми, а разность между максимальным и краевым давлениями по эксперименту возрастает с увеличением среднего давления.
Фундаменты с анкерами

Проведенные эксперименты с фундаментами без анкеров показали, что отрыв подошвы происходит при давлениях, встречаемых на практике в случае больших эксцентриситетов. Поэтому испытания фундаментов с анкерами производили при больших эксцентриситетах при односторонних моментных нагрузках, когда положение точки приложения внецентренной нагрузки не изменялось, Поэтому анкеры в опытах устанавливали у одного края в зоне отрыва подошвы фундамента.
Экспериментами установлено, что при эксцентриситете е=0,2 а крен фундамента с анкером совпадает с креном обычного фундамента до среднего давления 0,3 МПа. При большем давлении происходит отрыв подошвы, в результате чего анкер вступает в работу, и уменьшается крен фундамента. Наибольшее уменьшение крена фундамента с анкерами наблюдается при эксцентриситете е=0,3, а, т. е. когда отрыв подошвы происходит с момента нагружения. В этом случае во всем диапазоне загружения крен фундамента с анкером в 1,5—3 раза меньше крена обычного фундамента.
В опытах крен прямоугольного фундамента с анкером при е=0,3 а практически был равен крену обычного фундамента до среднего давления 0,1 МПа. При превышении этого давления вступали в работу анкеры, и крен фундамента уменьшался в 1,5 раза по сравнению с креном обычного фундамента
Опыты показали, что перемещения краев квадратного фундамента с начала нагружения были меньше соответствующих перемещений обычного фундамента. Это обстоятельство указывает на то, что анкер вступил в работу с начала нагружения. Иначе обстояло дело в случае прямоугольного фундамента. Здесь разница в перемещениях краев проявилась при давлении, большем 0,1 МПа. Это объясняется тем, что в квадратном фундаменте использовался гибкий анкер, а в прямоугольном — трубчатый, имеющий опорную плиту меньшей площади. Поэтому последний анкер воспринимал меньшие усилия при одинаковых перемещениях Когда перемещения трубчатого анкера превысили определенную величину, несущая способность его оказалась достаточной для снижения крена фундамента.
В процессе эксперимента определяли усилия в анкерах в зависимости от среднего давления по подошве. Выявлено, что гибкий анкер вступал в работу сразу после нагружения фундамента, т. е. при малых перемещениях, в трубчатых анкерах усилия возникали при давлениях, превышающих 0,05 МПа. Анализ экспериментальных данных показывает, что применение анкеров для уменьшения крена фундамента тем эффективнее, чем меньше их несущая способность и перемещения, при которых она будет реализована.
Следует отметить, что входящие в состав фундамента анкеры воспринимают большие усилия, чем их несущая способность, определенная при автономных испытаниях выдергивающими нагрузками. Так, несущая способность гибкого короткого анкера в системе фундамента была выше в 1,8 раза, гибкого длинного — в 2,2 раза, трубчатого — в 2 раза. Это увеличение несущей способности объясняется влиянием нагрузки, передаваемой подошвой фундамента на грунт.
Фундаменты с анкерами

Для выявления влияния предварительного уплотнения грунта на величину крена на прямоугольный фундамент была передана нагрузка с эксцентриситетом, равным е=0,14а. После того, как давление по подошве составило 0,12 МПа, произвели натяжение анкера, при котором усилие в нем составило 1кН. В результате на тяжения анкера произошла осадка фундамента, равная 2 мм. Затем было проведено испытание такого фундамента при эксцентриситете е=0,3а, которое показало, что предварительное уплотнение грунта привело к уменьшению крена по сравнению с креном фундамента, расположенного на природном грунте.
Уменьшение крена обусловлено тем, что часть внешнего момента M компенсируется моментом Mа, воспринимаемым анкером. Значение этого момента можно определить, используя схему действующих сил, приведенную на рис. 2.16. Уравнение равновесия моментов относительно центра тяжести эпюры контактных давлений имеет вид
Фундаменты с анкерами

Отсюда момент, воспринимаемый анкером, равен:
Фундаменты с анкерами

Используя выражение (2.2), момент Mа можно определять при различном нагружении фундамента. На рис. 2.16 приведены зависимости момента от внешней нагрузки и момента, воспринимаемого анкером от среднего давления. Из рисунка видно, что момент, воспринимаемым анкером, составляет 0,1—0,2 момента от внешней нагрузки.
Наличие в составе фундамента анкеров приводит к увеличению несущей способности основания. Так, несущая способность основания квадратного фундамента с анкерами при эксцентриситете е=0,3а выше несущей способности обычного фундамента в 2,3 раза, а прямоугольного — в 1,3 раза. Повышение несущей способности происходит в результате уменьшения отрыва подошвы и более равномерного распределения контактных напряжений.
Фундаменты с анкерами

На рис. 2.17 приведены в качестве примера эпюры контактных напряжений. Как видно из рисунка, основная доля нагрузки приходится на наиболее нагруженную часть фундамента. При этом для фундаментов с анкерами существенно уменьшается отрыв подошвы, происходит смещение центра тяжести эпюры к центру фундамента и на 10—15 % увеличивается максимальное напряжение, В табл. 2.5 приведены значения отрыва подошвы фундаментов с анкерами, которые при прочих равных условиях на 35—40 % меньше значений отрыва подошвы обычных фундаментов. Меньшая эффективность работы анкеров в прямоугольных фундаментах объясняется применением трубчатых анкеров, которые оказались менее эффективны.
Фундаменты с анкерами

Исследование работы фундаментов в полевых условиях проводили на площадке, сложенной тугопластичными суглинками. Подземные воды в районе опытов залегают на большой глубине. Грунты имели следующие физико-механические характеристики: ρ=1,94 т/м3, ρs=2,71 т/м3, e=0,65, w=0,18, wL=0,24, wp=0,14, Iр=0,11, IL=0,31, G=0,62, φ=21°, c=0,023 МПа, Е=18 МПа.
В качестве фундаментов использовали железобетонные блоки размером в плане 0,9x1.6 м высотой 0,3 м. Анкерами служили сваи длиной 2 м, диаметрами 140 (тип A-1) и 220 мм (тип А-2) и сечением 240X240 мм (А-3). Анкеры-сваи устраивали в пробивных скважинах путем установки в них арматурных каркасов и последующего бетонирования. При этом арматуру сваи надежно соединяли с арматурным каркасом фундамента, а стык обетонировали, в результате чего образовывалось жесткое крепление анкера и фундамента. Между секциями арматурных каркасов устанавливали тензодинамометры, с помощью которых измеряли усилия в анкерах, Нагрузку передавали с помощью грузовой платформы и домкрата, устанавливаемого таким образом, чтобы обеспечивался постоянный эксцентриситет. Опыты проводили как с односторонним загружением, так и со знакопеременной нагрузкой. Опытный фундамент устанавливали ниже поверхности грунта на 0,4 м и, кроме того, вокруг него создавали пригрузку, эквивалентную заглублению его еще на 0,4 м.
Для определения несущей способности и выявления закономерности работы сваи-анкеров при вдавливании и выдергивании производили их испытание до перемещений, не превышающих 20 мм (рис 2.18). В табл. 2.6 приведены основные параметры, полученные в результате опытов.
Фундаменты с анкерами

Сопротивление грунта по боковой поверхности определяли путем деления соответствующих нагрузок на площадь боковой поверхности. При определении сопротивления под нижним концом вычитали нагрузку, воспринимаемую боковой поверхностью при выдергивании. В этом случае условно принимали, что сопротивление по боковой поверхности при вдавливании равно сопротивлению при выдергивании при равных перемещениях выдергиваемой и вдавливаемой сваи-анкера. Как видно из табл. 2.6, сопротивление грунта по боковой поверхности для анкеров всех типов было одинаковым и составило при нагрузке, соответствующей пределу пропорциональности, 0,011 МПа, а при максимальной нагрузке — 0,02 МПа
Фундаменты с анкерами

Для выяснения влияния многократного приложения нагрузки на несущую способность были испытаны анкеры. Методика испытаний заключалась в передаче на анкер вдавливающей и выдергивающей нагрузок. При этом первый анкер серии вдавливали и выдергивали на 2 мм, второй — на б мм и третий анкер — на 20 мм (рис. 2.19).
Как видно из этого рисунка, кривые вдавливания анкеров для каждых циклов загружения оказываются различными. При втором цикле вдавливания перемещения возрастают быстрее, чем при первом цикле нагрузки. При этом чем больше было перемещение вверх, тем большая разница наблюдалась в характере кривых вдавливания. Это различие объясняется тем, что при втором испытании торец анкера включается в работу не в первый момент, так как после предшествующего выдергивания под ним образовалась полость. На рис. 2.19, б отчетливо видно, что после перемещения анкера на 10 мм при втором цикле нагружения, кривая зависимости резко выполаживается, что характеризует вступление в работу торца анкера. При каждом последующем цикле нагружения требуются большие начальные перемещения, чтобы вступил в работу торец анкера, однако эти перемещения по мере увеличения циклов приближаются к заданным начальным деформациям анкера, С другой стороны, по мере увеличения числа циклов нагружения нагрузка, соответствующая заданным начальным перемещениям, уменьшается и при пяти-шести циклах наблюдается стабилизация этой нагрузки. Так, для первого анкера предельная нагрузка уменьшилась с 37 до 27 кН, для второго — с 61 до 43 кН и для третьего — со 100 до 54 кН.
Рассмотрение зависимостей перемещение — нагрузка при испытании выдергивающей нагрузкой показывает, что характер этих кривых при различном числе циклов выдергивания оставался неизменным. При этом по мере увеличения числа циклов испытании наблюдалась стабилизация нагрузки, необходимой для достижения заданных начальных перемещений. Испытания показали, что для первого анкера произошло снижение этой нагрузки с 29 до 23 кН, для второго — с 28 до 21 кН и для третьего анкера — с 35 до 25 кН. На основании проведенных экспериментов вычислены коэффициенты цикличности, т. е, коэффициенты снижения нагрузок, соответствующие заданным перемещениям. Численное значение этого коэффициента принято равным отношению нагрузки, соответствующей стабилизации процесса, к нагрузке, полученной при первом загружении (табл. 2.7).
Фундаменты с анкерами

Как следует из таблицы, коэффициент цикличности определяется видом воздействий (вдавливание или выдергивание) и начальным перемещением. Так, при начальном перемещении вдавливанием 20 мм нагрузка, соответствующая этим перемещениям, уменьшилась за счет цикличности практически в 2 раза. При выдергивании коэффициент цикличности для анкеров остается практически постоянным, несмотря на то, что перемещения их отличаются в 10 раз. Эти данные показывают, что во всех случаях этот коэффициент при выдергивании может быть принят равным 0,75;
Фундаменты с анкерами

Рассмотрим значения сопротивлений по боковой поверхности, полученные при нагрузках, соответствующих заданным перемещениям. Так, при δ=2 мм сопротивление по боковой поверхности составляет 0,0155 МПа, при 6—6 мм — 0,0145 МПа и при δ=20 мм — 0,018 МПа. С другой стороны, максимальное значение этой величины для анкеров всех типов составило 0,02 МПа, а при нагрузке, соответствующей пределу пропорциональности — 0,011 МПа. Анализ этих данных показывает, что при перемещениях 3—5 мм практически полностью реализуются силы сопротивления грунта по боковой поверхности
Рассмотрим работу фундамента с анкерами при его односторонней загрузке (рис. 2.20). Анализируя зависимость крена фундамента от среднего давления по его подошве, можно сделать следующие выводы:
- крен фундамента с анкерами в 2—5 раз меньше крена обычного фундамента аналогичного размера в плане;
- крен фундамента с двумя симметричными анкерами в 1,5—3 раза меньше крена фундамента с одним анкером, расположенным в зоне отрыва;
- крен фундамента в значительной мере зависит от несущей способности анкера (табл. 2.8);
- зависимость крена от среднего давления носит линейный характер в пределах определенного диапазона этого давления.
Как уже отмечалось, анкеры применяют в основном для уменьшения отрыва подошвы фундамента от грунта основания. Для определения зависимости относительного отрыва подошвы с/а от среднего давления при постоянном эксцентриоитете е=0,3 а были проведены эксперименты, позволившие сделать следующие выводы с увеличением среднего давления отрыв подошвы возрастает как для фундаментов с анкерами, так для фундаментов без них;
- с возрастанием несущей способности анкеров отрыв подошвы уменьшается;
- при введении анкеров в конструкцию фундамента отрыв подошвы снижается в 2—3 раза;
- с увеличением эксцентриситета возрастает разница в отрыве подошвы фундамента с анкерами и без них.
В процессе опытов проводили также измерения усилий в анкерах. Они показали, что усилия в выдергиваемых анкерах проявляются не сразу после загружения фундамента, а начиная с определенного значения среднего давления, при котором деформации-подъемы оказываются достаточными для появления сил трения по боковой поверхности анкера. По мере увеличения давления по подошве усилия в анкере возрастают и после определенного давления остаются постоянными. В этом случае полностью реализуется несущая способность анкера.
Фундаменты с анкерами

Сжатые анкеры вступают в работу сразу после загружения фундамента. При этом наблюдается практически линейная зависимость между усилиями и средним давлением по подошве фундамента. Это объясняется тем, что в пределах рассматриваемых давлений усилия в анкерах значительно меньше, чем их несущая способность.
Характер контактных напряжений, полученных в полевых условиях, оказался практически таким же, как и в опытах в лотке. Следует только отметить, что площадь эпюры контактных напряжений фундаментов со сжатыми и растянутыми анкерами оказалась меньше площади эпюр, построенных по формулам внецентренного сжатия При этом максимальные экспериментальные напряжения были меньше расчетных краевых напряжений. Это объясняется тем что часть вертикальной нагрузки воспринимается сжатыми анкерами. Опытами также установлено, что по мере удаления сжатого анкера от края фундамента уменьшается нагрузка, воспринимаемая этим анкером.
Цикличность приложения нагрузки влияет на величину крена. Однако после первых трех-четырех циклов крен остается практически постоянным. Указанная цикличность вызывает увеличение крена в 1,2-1,8 раза, при этом чем меньше несущая способность анкеров, тем больше возрастание крена.
Расчет фундаментов с анкерами. Фундаменты с анкерами в нескальных грунтах применяют в случае действия значительных моментных нагрузок (крановых, ветровых и т. п.) Они целесообразны, если эксцентриситет приложения нагрузки, вычисленный на уровне подошвы фундамента, превышает 0,2 размера подошвы в плоскости действия моментной нагрузки. Эффективность их применения в каждом конкретном случае обосновывается технико-экономическим сравнением с другими вариантами фундаментов (традиционными на естественном основании, свайными и т. д.).
В качестве анкеров используют сваи трения, жестко связанные с телом фундамента. Воспринимая выдергивающие, а при знакопеременных моментных нагрузках и вдавливающие усилия, анкеры трансформируют эпюру контактных напряжений, распределяя ее более равномерно в плоскости действия моментной нагрузки, чем у фундаментов без анкеров, уменьшают крен и отрыв подошвы.
Размеры подошвы фундаментов с анкерами определяют по сочетанию нагрузок, в котором действует максимальное вертикальное усилие Анкеры рассчитывают по сочетанию усилий, в которых действует максимальный момент или минимальная вертикальная сила. Анкеры следует располагать в один или два ряда у каждой грани фундамента симметрично в плоскости действия моментной нагрузки на расстоянии от наружной грани фундамента, равном диаметру поперечного сечения анкера d. Расстояние между отдельными анкерами в ряду должно быть не менее (4—5) d.
Глубину заложения подошвы фундамента с анкерами определяют так же, как и для обычного фундамента мелкого заложения на естественном основании
В качестве расчетной модели основания при выводе расчетных формул принята модель Винклера, характеризуемая коэффициентом постели. Очертания эпюры контактных напряжений приняты линейными с максимальным значением напряжений на краю эпюры. В соответствии с принятой моделью основания для характеристики его жесткости при повороте фундамента в расчет вводится коэффициент неравномерного сжатия с, имеющий единицу H/м3 и определяемый по формуле
Фундаменты с анкерами

Рассматривают следующие расчетные сочетания нагрузок на фундамент:
Фундаменты с анкерами

Для характеристики работы анкеров в фундаментах используются параметры податливости на выдергивание cta и на вдавливание cpa. Эти параметры выражают зависимость перемещений от нагрузок при выдергивании и вдавливании анкеров. С целью упрощения расчетов названные зависимости принимают линейными (рис. 2.22). При действии на фундамент сочетания нагрузок с максимальным вертикальным усилием на каждый анкер передается максимальная нагрузка, равная Fap. В процессе работы фундамента вертикальная нагрузка уменьшается до минимального значения N', принимаемого из второго или третьего сочетания нагрузок (N' — минимальное из значений Na и Nmin). Соответственно происходит разгрузка анкеров до значения Np1, определяемого по формуле
Фундаменты с анкерами

В пределах изменения вертикальной нагрузки от N' до Nmax параметр податливости на вдавливание определяют по формуле
Фундаменты с анкерами

Графической интерпретацией параметра cpa является тангенс угла наклона отрезка AB к оси перемещений. В свою очередь, графической интерпретацией параметра податливости свай-анкеров на действие выдергивающих нагрузок Cta является тангенс угла наклона отрезка ОД к оси перемещений. Из рис. 2.22 следует:
Фундаменты с анкерами

Как видно из рис. 2.22, использование при проектировании линейной зависимости (прямая 2) усилий в анкере от его перемещений вместо фактической криволинейной (кривая 1) не только упрощает расчеты, но и увеличивает надежность. Так, например, перемещению δta: отвечает фактическое усилие, которое больше усилия, соответствующего этому же перемещению из линейной зависимости. Вследствие этого фактический момент, воспринимаемый анкерами, будет ниже расчетного в пределах всего диапазона перемещений, меньших δal.
Фундаменты с анкерами

Несущую способность свай-анкеров при вдавливании и выдергивании определяют в соответствии с требованиями СНиП 11-17-77. Предельные расчетные перемещения при вдавливании принимают не более 0,2 предельной допустимой осадки для данного сооружения, а при выдергивании — 5 мм.
Несущую способность сжимаемых и выдергиваемых свай-анкеров при действии на фундамент знакопеременных моментных нагрузок вычисляют с учетом коэффициента цикличности k=0,8, который показывает степень уменьшения несущей способности при действии выдергивающих и вдавливающих усилий.
Расчет фундаментов с анкерами следует производить по второму и третьему сочетаниям нагрузок, в которых определяющими усилиями являются максимальный момент и минимальная верти кальная сила. Изучение сочетаний нагрузок, действующих на фундаменты реальных объектов, показало, что необходимо различать два основных случая: 1) вертикальная сила N направлена вниз; 2) вертикальная сила N направлена вверх.
Фундаменты с анкерами

Ниже приводится вывод формул для первого случая. На рис. 2.23 показана расчетная схема фундамента с анкерами, где приняты следующие условные обозначения:
N0 — вертикальная сила на уровне подошвы фундамента, равная N+G; С — вес фундамента и грунта ка его обрезах; Mo — момент на уровне подошвы фундамента, который равен M0=M+Qhf (здесь M и Q — момент и поперечная сила; hf — высота фундамента); α — у гол поворота фундамента в вертикальной плоскости; Nta — суммарное усилие в выдергиваемых анкерах; Npa — суммарное усилие в сжатых анкерах; n — число анкеров вдоль одной стороны фундамента; Pmax — максимальное краевое напряжение; а, b — размеры подошвы фундамента; t — расстояние от нулевой точки, относительно которой происходит поворот подошвы, до нагруженного края, с' — расстояние от нулевой точки до разгруженного края, u — расстояние от оси анкера до края фундамента; δta— перемещение выдергиваемых анкеров; δpa — перемещение сжатых анкеров.
Момент вызывает поворот фундамента на некоторый угол а относительно нейтральной точки О, в результате чего в анкерах возникают вдавливающие и выдергивающие усилия, при этом эпюра контактных напряжений имеет треугольный вид. Согласно схеме, приведенной на рис. 2.23, перемещения анкеров определяют из выражений:
Фундаменты с анкерами

Уравнение равновесия всех сил относительно вертикальной оси имеет вид
Фундаменты с анкерами

В свою очередь, суммарные усилия в анкерах можно получить, используя параметры их податливости и перемещения:
Фундаменты с анкерами

В отличие от расчета обычных фундаментов, для которых краевые напряжения вычисляют по формуле внецентренного сжатия, при проектировании фундаментов с анкерами максимальное краевое напряжение определяют на основании гипотезы Винклера следующим образом Под действием вертикальной силы происходит равномерная осадка фундамента на величину y0. Под действием момента возникает крен, вследствие чего происходит дополнительная осадка Δ более нагруженной грани. С учетом действия момента суммарная осадка точки В равна:
Фундаменты с анкерами

Принимая зависимость между осадкой sx и давлением на грунт px в каждой точке основания в виде соотношения py=csx, имеем
Фундаменты с анкерами

Зная связь между перемещением и нагрузкой, определяем перемещение у0, используя действующие усилия» размеры подошвы и параметр жесткости основания
Фундаменты с анкерами

В соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис. 2.23, перемещение края фундамента от действия момента находим по формуле
Фундаменты с анкерами

Подставляя в формулу (2,14) значения у0 и Δ, имеем
Фундаменты с анкерами

Подставляя в уравнение (2 10) значения Nta, Npa и рmax и проведя преобразования, получаем выражение
Фундаменты с анкерами

В указанном уравнении содержатся два неизвестных — крен фундамента i и расстояние от нулевой точки до края фундамента t. Для определения этих неизвестных необходимо дополнительное уравнение, которое можно получить, рассматривая выражение для определения крена по модели Винклера
Фундаменты с анкерами

В рассматриваемом фундаменте, как уже отмечалось, отрыв подошвы от основания происходит на участке, равном: c'=а—t. Поэтому фактически действию внешнего момента сопротивляется только грунт на участке длиной t. С учетом этого положения расчетный момент будет складываться из момента Mq и момента силы N0 относительно центра площади, через которую нагрузка передается на грунт:
Фундаменты с анкерами

Особенностью фундамента с анкерами является то, что момент передается на подошву и сваи-анкеры. В связи с этим в формуле (2.20) действующий момент должен быть уменьшен на величину момента, воспринимаемого анкерами, который, в свою очередь, определяется по формуле
Фундаменты с анкерами

Выражая в этом уравнении усилия в анкерах через их перемещения, параметры податливости анкеров и их число, определяемые по выражениям (2.8) и (2.9) и вычитая в формуле (2.20) момент, воспринимаемый анкерами, из действующего момента, после преобразований имеем
Фундаменты с анкерами

В выражении (2.22), где как и в выражении (2,18) m=b/t, неизвестными являются величины i и t. Решая систему из уравнении (2 18) и (2,22) с двумя неизвестными, находим эти значения.
Используя выражения (2.11), (2.12) и (2.17), определяем усилия в анкерах и максимальное краевое напряжение.
Исходя из выведенных расчетных формул, фундамент с анкерами рассчитывают в такой последовательности. Определяем принятые ранее сочетания нагрузок, действующих на фундамент.
На основе инженерно-геологических изысканий определяем не обходимые характеристики грунта основания: плотность, консистенцию, угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации.
По первому сочетанию нагрузок находим размеры подошвы фундамента, которые являются минимально допустимыми. Далее, по двум другим сочетаниям нагрузок размеры подошвы в плоскости действия момента назначаем из условия, что эксцентриситет нагрузок
Фундаменты с анкерами

Принимаем тип свай-анкеров и их число n, определяем параметры податливости свай-анкеров на действие выдергивающих и вдавливающих нагрузок. При этом рекомендуется, чтобы момент относительно середины подошвы М'a, воспринимаемый сваями-анкерами, составлял не менее 20 % внешнего момента M0 и вычислялся по формуле
Фундаменты с анкерами

Подставляя значения Nta и Npa, получаем
Фундаменты с анкерами

В формуле (2.25) через iu обозначена допустимая величина крена.
По формулам (2.18) и (2 22) определяем крен фундамента и расстояние от нулевой точки до нагруженной грани t. По формулам (2.11), (2.12) и (2.17) вычисляем усилия соответственно в выдергиваемых и сжатых анкерах Nta и Npa, а также максимальное краевой напряжение рmax. Делением суммарных усилий на число анкеров находим выдергивающую и сжимающую нагрузки из расчета на один анкер. По формулам (2.8) и (2.9) вычисляем перемещения анкеров δla и δpa. Полученные значения сравниваем с допустимыми. При этом должны выполняться следующие условия:
Фундаменты с анкерами

При невыполнении одного из этих условий следует увеличить число свай-анкеров и повторить расчет.
Расчет осадок основания фундамента с анкерами производим, как для обычного фундамента, без учета нагрузок, воспринимаемых сваями-анкерами, по первому сочетанию нагрузок. При действии вертикальной силы вверх расчет следует производить, исходя из двух расчетных схем: а) нулевая точка 0, относительно которой происходит поворот подошвы фундамента, находится в пределах его контура; б) нулевая точка 0 выходит за пределы контура фундамента.
Фундаменты с анкерами

Для установления границы между этими схемами воспользуемся случаем, когда точка 0 совпадает с внешней гранью фундамента.
Составим уравнение равновесия сил относительно вертикальной оси, учитывая, что анкеры с обеих сторон работают на выдергивание (рис. 2.24)
Фундаменты с анкерами

Подставив в это выражение значения усилий в анкерах, равные:
Фундаменты с анкерами

получаем уравнение
Фундаменты с анкерами

Запишем уравнение равновесия моментов относительно точки 0
Фундаменты с анкерами

Решая уравнение (2.30) с учетом выражений (2.27)—(2.29), получаем следующее уравнение:
Фундаменты с анкерами

Из этого уравнения можно определить величину а, при которой для заданного эксцентриситета точка поворота подошвы будет совпадать с нагруженной гранью фундамента. В случае когда длина стороны фундамента меньше полученного значения, точка 0 будет находиться в пределах контура фундамента, что соответствует первой расчетной схеме. Если же сторона фундамента больше величины a, то принимают вторую расчетную схему.
Рассматривая первую расчетную схему, используем рис. 2.23, предполагая, что сила N направлена вверх. Проводя рассуждения, аналогичные проведенным выше, для силы N, направленной вниз, получаем уравнения:
Фундаменты с анкерами

Из этих уравнений определяем величины i и t и далее производим расчет по аналогии с расчетом для случая, когда вертикальная cила направлена вниз. При этом следует учесть особенность рассматриваемого случая по сравнению со случаем, когда вертикальная сила направлена вниз. Точка 0 должна находиться между центром фундамента и осью сжатых анкеров-свай, так как в противном случае условия равновесия сил относительно вертикальной оси не будут выполнены.
При выводе формул применительно ко второй расчетной схеме рассмотрим рис. 2.24, на котором приняты следующие условные обозначения: N1, δ1 — суммарное усилие и перемещение более нагруженных анкеров; N2, δ2 — суммарное усилие и перемещение менее нагруженных анкеров.
Запишем уравнение равновесия сил на вертикальную ось и уравнение равновесия моментов относительно точки А:
Фундаменты с анкерами

Усилия в анкерах определяем в соответствии с рис. 2.24:
Фундаменты с анкерами

Подставляя значения N1 и N2 в выражения (2.34) и (2.35), после преобразований получаем следующую систему из двух уравнений:
Фундаменты с анкерами

Неизвестными в этих уравнениях являются число анкеров n и крен i.
Расчет фундаментов с анкерами при данной расчетной схеме производят в такой последовательности. Определяем по первому сочетанию нагрузок размеры подошвы а и b, вес фундамента G и параметры а0, u. При двухрядном расположении анкеров величину u находим по формуле
Фундаменты с анкерами

Зная допустимое перемещение сваи-анкера при выдергивании δtal, принимаем на первом этапе расчета перемещение анкера из условия δ2≤0,5δtal и далее по формулам (2.38) и (2.39) определяем n и i. При этом должно выполняться условие
Фундаменты с анкерами

Изменяя размер подошвы а, повторяем эту операцию до тех пор, пока вычисленное число анкеров не удастся разместить на принятой ширине фундамента с одновременным соблюдением условия i≤iu.
На последнем этапе расчета по формулам (2.38) и (2.39) определяем величины i и δ2 и далее усилия в анкерах N1 и N2, которые сравниваем с допустимыми.
Исследование работы анкеров в скальных грунтах. С целью изучения работы анкеров в скальных грунтах проведены их испытания в лабораторных и полевых условиях.
В лаборатории испытания проводили на специальном стенде с использованием двух- и трехслойных анкеров. Двухслойные анкеры представляли собой стержни из арматуры периодического профиля, забетонированные непосредственно в бетонный массив.
Трехслойные анкеры устраивали в просверленных в песчаном бетоне отверстиях диаметром 2,8 см. Эти отверстия заполняли пластичным цементным раствором М300 и зада вливали в него анкер, представляющий собой арматурный стержень диаметром 1,6 см. Для измерения послойных перемещений по высоте анкерной заделки в заполненное раствором отверстие вставляли трубки, внутри которых помещали жесткие стержни. Нижний конец этих стержней располагали на определенной глубине, что позволяло измерять деформации анкера. Нижний торец всех анкеров не соприкасался с бетоном, а упирался в металлическую гильзу. Поэтому с помощью нижнего репера можно было определять перемещение торца анкера.
Анкер устраивали в песчаном бетоне, что обусловлено необходимостью получения однородного структурного массива. Прочность кубиков этого бетона составляла 22,5—26,9 МПа. Имитацию слоистости массива осуществляли путем прокладки между слоями бетона через 3—4 см слоев толя. При этом направление слоев было принято горизонтальным и наклонным с углом наклона к горизонтали 30°.
Фундаменты с анкерами

Анкеры испытывали до предельной нагрузки, при которой происходит полная потеря ими несущей способности, т. е. выход анкера из массива. На рис. 2.26 приведены в качестве примера зависимости перемещения анкеров диаметром 2 см различной длины от нагрузки. Из рисунка видно, что указанные зависимости имеют в определенном диапазоне нагрузок линейный участок. При этом для всех анкеров линейные участки имеют одинаковый угол наклона. Нагрузка, соответствующая длине линейного участка, принята за критическую. Благодаря тому что указанная зависимость имеет линейный участок, деформативность анкерной заделки одного диаметра можно оценивать единым показателем — коэффициентом жесткости. Этот коэффициент представляет собой отношение усилия, передаваемого на анкер, к его перемещению. Ниже приведены значения коэффициента жесткости са в зависимости от диаметра анкера d:
Фундаменты с анкерами

Эксперименты показали, что коэффициент жесткости зависит от диаметра стержня и не зависит от длины анкерной заделки. Однако от этой величины зависит характер потери несущей способности анкером. В случае предельной длины анкера на поверхности образуются окружные трещины с последующим разрывом бетона по конусу, определенной высоты и выходом стержня анкера из массива вместе с бетонной пробкой — первый вид разрушения. При длине анкера, превышающей предельную, наблюдается иной характер разрушения. В этом случае появляются зоны разрушения в бетоне вблизи анкера, после чего в этом месте происходит смещение относительно бетона стержня анкера с последующим его обрывом — второй вид разрушения.
Фундаменты с анкерами

На рис. 2.27 приведены зависимости критических и предельных нагрузок от относительной длины анкера L/d (L — длина, d — диаметр). Как видно, зависимости носят в основном криволинейный характер и при определенной относительной длине они имеют точки перегиба, особенно отчетливо проявляемые в первой зависимости. Установлено, что при длине анкера, соответствующей линейному участку зависимости N от L/d, наблюдается разрушение первого вида, а при большей длине — второго вида. Увеличение длины в этом случае не приведет к повышению несущей способности анкера, так как она будет определяться прочностью стержня анкера. Результаты опытов показали, что предельная длина анкера составляет 10—15 диам стержня.
Фундаменты с анкерами

В процессе опытов измеряли перемещения поверхности массива вокруг анкера, что позволило установить границу зоны деформирования, т. е. расстояние, при котором не происходит подъема массива. Одновременно измеряли высоту конуса выкола бетона при предельной длине анкера. Опыты показали следующее:
- зона распространения вертикальных деформаций стремится к постоянной величине, соответствующей предельной длине анкера и составляющей 10—12 его диам;
- зона проявления вертикальных перемещении возрастает с увеличением диаметра анкера;
- максимальная высота конуса выкола массива составляет четыре-пять диам анкера и уменьшается с увеличением длины анкера; при длине анкера выше предельной эта высота практически равна нулю.
Изучение деформативности анкерной заделки по глубине проводили на трехслойных анкерах. Их несущая способность составляет около 80 % несущей способности соответствующих двухслойных анкеров. Для данной конструкции анкеров потеря ими несущей способности характеризуется тремя факторами: сдвигом нижнего конца анкера; смещением анкера по бетону в верхней части; резким возрастанием перемещения анкера.
Испытания трехслойных анкеров в массиве с горизонтальными и наклонными слоями показали следующее:
- в слоистом массиве перемещение анкера при прочих равных условиях возрастает в 2—3 раза;
- с увеличением наклона слоев несущая способность анкера снижается;
- разрушение бетона в верхней части анкера наблюдается только в пределах одного слоя.
В полевых условиях анкеры испытывали на площадке, сложенной разновидностями скальных пород. На площадке было организовано четыре полигона: на первом выделены дресвяные и щебеночные породы, на втором — глыбовая зона туфопорфиритов, на третьем — слоистый массив туфопорфиритов и на четвертом — щебеночный массив.
Анкеры выполняли в виде скважин диаметром 150 и 200 мм, длиной 100—5000 мм, в которые устанавливали один — четыре стержня диаметром 32 или 36 мм. Скважину заполняли бетоном марки М300.
Зависимости перемещения анкеров от нагрузки по своему характеру аналогичны зависимостям, полученным при лабораторных испытаниях. По данным испытаний определены средние значения коэффициентов жесткости анкеров (табл. 2.12).
Фундаменты с анкерами

Полевые опыты, кроме того, показали, что форма разрушения анкерной заделки зависит от прочности структурных связей грунта. Так, в трещиноватых скальных грунтах, имеющих слабые структурные связи, разрушение происходит
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent