МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ Государственный дорожный проектно-изыскательский и МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Вводятся впервые Москва 1978УТВЕРЖДЕНЫ СОДЕРЖАНИЕ
"Методические рекомендации по расчету обсыпных однорядных свайных и стоечных устоев как упругих опор в линейно-деформируемой среде" разработаны на основе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в 1969-1976 гг. в Воронежском инженерно-строительном институте и Воронежском филиале Гипродорнии. Рекомендации предназначены для опытного проектирования. Предлагаемый метод расчета позволяет в соответствующих условиях снять излишние запасы прочности конструкции и достичь экономии объемов работ и стоимости строительства. "Методические рекомендации" разработаны канд. техн. наук Д.М. Шапиро. Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Н.Д. Поспеловым. Замечания и предложения просим направлять по адресу: 394000, г. Воронеж, ул. 25-го Октября, 45. Воронежский филиал Гипродорнии. I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА ОБСЫПНЫХ УСТОЕВ1.1. Метод расчета обсыпных устоев как упругих опор в линейно-деформируемой среде может быть применен при благоприятных инженерно-геологических условиях места строительства, когда основание устоя и конуса моста сложено скальными, полускальными, крупнообломочными грунтами, глинистыми незаторфованными грунтами с коэффициентом консистенции не более 0,35, а также песчаными непылеватыми грунтами. В сложных случаях слои основания могут быть проверены по условию: (1)где γ - объемный вес насыпи, принимаемый равным 1,9 т/м3; r - глубина залегания рассматриваемого слоя, отсчитываемая от его подошвы до уровня верха насыпи (рис. 1); R1, R2 - коэффициенты (см. табл. 1), зависящие от заложения откоса ; φ, с - расчетные характеристики сопротивления сдвигу грунта рассматриваемого слоя: угол внутреннего трения и удельное оцепление. Таблица 1 Коэффициенты R1 и R2
Примечание. При возможности подтопления откоса заложение т следует условно уменьшить на 0,5. Рис. 1. Расчетная схема к проверке слоев основания по условию (I)Применение настоящего метода расчета устоев ограничивается в условиях, когда дневная поверхность грунта или поверхность контакта верхних слоев основания имеет наклон более 1:10 в сторону пролета моста. 1.2. Должны быть выполнены установленные нормативные требования к заложению и укреплению откосов, качеству насыпного грунта, а также правила возведения конуса и засыпки за устоем (укладка горизонтальными слоями, коэффициент уплотнения Купл. ≥ 0,98). Высота насыпи, как правило, не должна превышать 6 м для подтопляемых откосов и 8 м - для неподтопляемых. Примечания; 1. Строительство устоев, рассчитанных по предлагаемому методу, рекомендуется осуществлять при авторском надзоре проектной организации. 2. Сопряжение моста с насыпью должно осуществляться с применением переходных плит в соответствии с "Методическими рекомендациями по проектированию и строительству сопряжений автодорожных мостов и путепроводов с насыпью" (Союздорнии. М., 1975) по действующим типовым проектам. 1.3. Настоящие "Рекомендации" содержат методику расчета обсыпных устоев на эксплуатационные нагрузки, позволяющую определить перемещения, внутренние усилия в поперечных сечениях стоек и свай и давления в основании. Определяется несущая способность основания стоечного устоя с фундаментом мелкого заложения. Вопросы проверки прочности по материалу и трещиностойкости элементов устоев и определения несущей способности (по грунту) свай на продольную нагрузку не рассматриваются в данных "Рекомендациях" и должны решаться в соответствии с действующими нормативными документами х). _____________________ х) Соответствующие главы СНиП; Указания по проектированию железобетонных и бетонных конструкций железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб. СН 365-67; Руководство по проектированию свайных фундаментов. НИИоснований, М., 1971. 1.4. Расчет однорядного свайного и стоечного устоя производится на нагрузки, приложенные к головам сваи (стоек). Кроме того, расчет стоечного устоя должен учитывать влияние крена фундамента при неравномерной осадке основания. 1.5. Равнодействующая нагрузок, приложенных к головам свай (стоек) устоя (N, Н, М - вертикальная, горизонтальная составляющие и момент), определяется в зависимости от типа опорных частей (РОЧ, металлических и т.д.) с учетом совместного восприятия горизонтальных сил всеми опорами моста или как отдельно стоящей опоры. В расчете учитываются следующие нагрузки (рис. 2): P1 и Р2 - опорное давление пролетного строения и переходной плиты; Р3 - вес оголовка. боковое давление засыпки на шкафную стенку, где hш и bш высота оголовка; Р5 и P6 - временная вертикальная нагрузка; Н7 - тормозная сила; H8 - воздействие температурной деформации. Определение величин нормативных и расчетных нагрузок производится в соответствии с действующими нормативными документами х) _________________ х) Технические условия проектирования железнодорожных автодорожных и городских мостов и труб. СН 200-62. Рис. 2. Расчетные нагрузки на устой для определения равнодействующей N, Н, М1.6. При расчете обсыпных устоев грунт насыпи и основания вокруг свай (стоек) и у вертикальных граней фундаментов мелкого заложения рассматривается как линейно-деформируемая среда, характеризуемая коэффициентом жесткости Cz = mz, (2)где m = 200 т/м4 - коэффициент пропорциональности; z - вертикальная координата, отсчитываемая от уровня заделки свай (стоек) в оголовок. 1.7. Горизонтальное смещение yz, поворот φz, изгибающий момент Mz, поперечная сила Qz в поперечном сечении свай (стоек) однорядных обсыпных устоев на глубине z определяются по формулам: (3)где - коэффициент деформации свай (стоек) в грунте; ЕJ - жесткость сваи (стойки); - изгибающий момент и поперечная сила в сечении сваи (стойки) при z = 0; Y0 и φ0 - горизонтальное смещение и поворот сечения сваи (стойки) при z = 0, определяемые в зависимости от условий ее заделки; A1, B1,... C4, Д4 - функции влияния, найденные по табличным данным прилож. 1 х) в зависимости от приведенной длины αz; ____________________ х) См. также: «Рекомендации по расчету фундаментов глубокого заложения опор мостов», ЦНИИС. М., 1970; Руководство по проектированию свайных фундаментов. НИИоснований. М. ,1971; К.С. Завриев, Г.С. Шпиро. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., "Транспорт", 1970 . bр - расчетная ширина свай (стоек) определяется в зависимости от их диаметра d по формуле: bp = 1,5d + 0,5(м). (4)Положительные направления Yz, Мz, Qz и отрицательное φz показаны на рис. 3. Рис. 3. Положительные направления Yz, Мz, Qz и отрицательное - φz.1.8. Расчет обсыпных устоев производится по трем предельным состояниям: а) по первому предельному состояние - выполняется расчеты прочности конструкции свай (стоек), фундаментов, несущей способности свай, основания стоечного устоя при действии расчетных нагрузок; б) в расчетах по второму предельному состоянию учитываются нормативные нагрузки и проверяется горизонтальное перемещение свай (стоек) при z = 0, которое должно быть в пределах Y0 ≤ 1 см, а также и осадка основания от постоянных нагрузок устоя, нормируемая в соответствии с п. 55 СН 200-62; в) в расчетах по третьему предельному состоянию проверяется трещиностойкость железобетонных конструкций устоя. Последовательность расчета обсыпных устоев по настоящим "Рекомендациям" определяется в соответствии с прилож. 1. 2. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ ОБСЫПНЫХ УСТОЕВ2.1. Несущая способность свай однорядных свайных устоев должна обеспечивать восприятие вертикальной составляющей нагрузки с учетом эксцентриситета в направлении поперек моста. 2.2. Расчетное давление под подошвой фундамента мелкого заложения (рис. 4) стоечного устоя выражается формулой: q = σh+p1+γ΄hn (5)где γ΄hn - природное давление; σh = αzpo - вертикальное давление на уровне подошвы фундамента, вызванное условной нагрузкой Po = γ Нн, которая по своему воздействию на основание принимается эквивалентной весу конуса и насыпи; Нн - высота насыпи; αz - коэффициент, определяемый по табл. 2 в зависимости от относительных координат рассматриваемой точки Ỹ/В и ž/В в условной системе, строящейся в соответствии с рис. 5 а, б; - ширина полосы нагрузки Pо; b - ширина земляного полотна на подходах к мосту; - заложение откосов конусов и насыпи (средняя величина); P1 - дополнительное давление фундамента устоя. Выражается оно формулой: (6)где ΣN - разность между весом конструкций устоя (стоек, подколонников, фундамента), находящихся в грунте, и весом равновеликого объема грунта; V - координата рассматриваемой точки относительно оси фундамента; Fф Jф - площадь и момент инерции подошвы фундамента; Мосн - момент, передаваемый фундаментом на основание (п. 2.8). 2.3. Расчетное сопротивление основания стоечного устоя определяется по формуле (7): R = 1,2{R΄[1+K1(a-2)] + K2γ΄(hn-3) + (K2-0,1)σh}, (7)где R'; K1 и K2 - условное сопротивление и коэффициенты, принимаемые в соответствии с п. 682 СН 200-62; σh - давление от нагрузки Рo (п. 2.2) под передней гранью фундамента; a - ширина фундамента. Таблица 2Отношение
Рис. 4. Схема к расчету фундамента мелкого заложения2.4. Проверка давления по слабому подстилающему слою производится по формуле: γ΄z1 + αz Po + βzP1cp ≤ R (8)где γ΄z1 - природное давление; αz Po - вертикальное давление нагрузки Рo под центром фундамента на поверхности рассматриваемого слоя; βz - коэффициент, принимаемый по таблице прилож. 23 СН 200-62 или табл. 1 прилож. 3 СНиП II-15-74 х); R - расчетное сопротивление рассматриваемого слоя, определяемое по формуле (7). __________________ х) В нормативных источниках данный коэффициент обозначен через α Рис. 5. Схема действия условной эквивалентной нагрузки Рo:а - поперек моста; б - вдоль моста2.5. Осадка основания под острием сваи свайного устоя, центром фундамента мелкого заложения стоечного устоя So, находится по формуле: (9)где αzрo и βzр1cp - средние величины давлений (п. 2.4); hi и Ei - толщина и модуль деформации грунта в слое i. Каждый слой грунта i должен быть однородным по сжимаемости. Глубина сжимаемой толщи грунтов x) принимается до уровня, где дополнительное давление αzрo + βzр1cp становится равным 0,2 γ΄z1 ______________________________ х) При инженерно-геологических изысканиях под устоем должна быть разведана толщина грунтов на глубину не менее 2,5 Нн. 2.6. Крен (поворот) фундамента мелкого заложения от вертикальных сил ω определяется как сумма углов поворота от неравномерной нагрузки основания весом конуса и насыпи (ω1) и эксцентриситета относительно оси фундамента вертикальной составляющей нагрузки N и ΣN (ω2) (рис. 6). ω = ω1 + ω2 (10)Угол ω1 определяется как отношение разности осадок S1, и S2 граней фундамента при действии эквивалентной нагрузки Ро к его ширине а: (11)Осадки S1 и S2 граней фундамента определяются в соответствии с указаниями п. 2.5. по формуле: (12)Угол ω2 находится по формуле: ω2 = (Nl+ΣNl1)G, (13)где (14)μcp и Еcp - коэффициент Пуассона и модуль деформации грунта, принимаемые средними в пределах верхней части (на глубину 1,5 а) сжимаемой толщи; l и l1 - эксцентриситеты соответствующих сил относительно оси фундамента; Kв - коэффициент, определяемый в зависимости от отношения сторон подошвы фундамента (см. табл. 4 прилож. 3, СНиП II-15-74). Рис. 6. Расчетная схема устоев:а - свайный; б, в - стоечный: нагрузка у верхнего конца стоек; влияние поворота фундамента: 1 - первоначальное положение устоя; 2 - изогнутая ось свай (стоек); 3 - поворот ω без учета отпора грунта2.7. Угол поворота фундамента мелкого заложения стоечного устоя φ״h с учетом горизонтального давления грунта на контакте с вертикальными гранями стоек и плиты находится по формуле: (15)(16)где t и bф - размеры плиты фундамента: высота и длина; n - число стоек; и - расчетные параметры, выражающие момент и поперечную силу в заделке стойки в фундамент (при z = h), вызванные отпором грунта при перемещениях ее нижнего конца φ״h = 1 и Y״h = -1t (17)2.8. Момент Мосн в основании фундамента мелкого заложения стоечного устоя выражается формулой: (18)где Мh, и Qh - момент и поперечная сила в заделке стойки фундамента, определяемые в соответствии с указаниями раздела 3.*) ____________________ *) Расчетная величина угла φ״h определяется путем умножения нормативного значения этого угла на коэффициент 1,5 (табл. 8 СН 200-62). 3. РАСЧЕТ СТОЕК И СВАЙ3.1. Расчет свай и стоек обсыпных устоев производится по формулам (3) в зависимости от начальных параметров Yо, φо, 3.2. Перемещения верхнего конца свай однорядных свайных устоев определяются по формулам: (19)где А3, А4 ... Д3, Д4 - функции влияния (п. 1.7.), соответствующие координате нижнего конца сваи (z = h) x). ___________________ х) Если приведенная длина свай = αh > 4, то функции влияния для формул (19) принимаются по = 4. 3.3. Расчет стоек однорядных устоев целесообразно вести раздельно на воздействие нагрузки, приложенной к верхним концам стоек, и влияние крена (поворота) фундамента с последующим суммированием результатов: (20)где Yz', φz', Мz', Qz' - перемещения и изгибающие усилия от воздействия нагрузок М и Н приложенных к верхним концам стоек; Yz″, φz″, Мz″, Qz″ - перемещения и изгибающие усилия от влияния перемещений нижнего конца стоек φh″, Yh″ = φ″t. 3.4. Начальные параметры для расчета Yz', φz', Мz', Qz' определяются выражениями: (21)Начальные параметры для расчета Yz″, φz″, Мz″ и Qz″, выражаются формулами: (22)A1, А2 ... Д1, Д2 - функции влияния (п. 1.7), соответствующие координате нижнего конца стоек (z = h). Приложение 1Последовательность расчета однорядных обсыпных устоев
Приложение 2Примеры расчета обсыпных устоевА. Расчет свайного устоя1. Исходные данныеТребуется произвести расчет свайного устоя большого моста. Полная длина крайнего пролета lп = 21 м, длина переходной плиты - 6 м; общая ширина моста Вм = 12,5 м (проезжая часть - 10 м, два тротуара - по 1 м и два бордюра по 0,25 м); высота насыпи - 6 м. Геологические условия места строительства и схема устоя показаны на рис. 1. Марка бетона - М-400; длина свай - 10 м, сечение - 35×35 см; F = 0,122 м2; d = 0,35 м; количество свай п = 10. Характеристикам m = 200 т/м2 2. Выбор расчетной схемы устояОснование берегового сооружения моста сложено мелкозернистым песком φ = 32°; c = 0. Заложение откоса - 1:2; конус и насыпь периодически подтапливаются. В соответствии с изложенным в п. 1 к данному случаю применима расчетная схема устоя как упругой опоры в линейно-деформируемой среде. 3. Определение расчетных параметров, коэффициентов.Расчетная ширина bр = 1,5d+0,5 м = 1,5×0,35+0,5 = 1 м. Коэффициент 4. Определение действующих нагрузок и воздействий (см. табл. 1)Наиболее опасным сочетанием нагрузок при расчете свай на действие момента и горизонтальной силы является Y`: N = 311 т; Н = 18,7 т; М = 10,5 тм. Рис. 1. Общий вид свайного устоя.Таблица 1 Сбор нагрузок к расчету свайного устоя
Несущая способность свай на вертикальную нагрузку должна обеспечивать восприятие Nmax = 349 т (сочетание VI). Нагрузка на одну сваю: вертикальная горизонтальная момент 5. Определение неизвестных начальных параметровПриведенная длина свай . При расчете свай на момент и горизонтальную силу принимается . 6. Построение эпюр Мz, Qz, YzОпределение Мz, Qz, Yz произведено в табл. 2-5; результаты графически даны на рис. 2. Итоги расчета находятся в пределах несущей способности свай на изгиб и поперечную силу. Таблица 2 Начальные параметры, коэффициенты
Рис. 2. Эпюры Мz, Qz, Уz7. Проверка допустимости и перемещения верха устояYо = 8,8×10-3 м = 0,88 см < 1 см.Таблица 3 Определение Мzα2EJ=1120
Таблица 4 Определение Qzα3EJ = 632
Таблица 5 Определение Yz
Б. Расчет стоечного устоя1. Исходные данныеТребуется произвести расчет стоечного устоя путепровода. Полная длина крайнего пролета ln - 12 м; длина переходной плиты - 6 м; общая ширина моста Вм = 12,5 м (проезжая часть -10 м, два тротуара - по 1 м и два бордюра - по 0,25 м); высота насыпи - 8,0 м. Геологические условия места строительства и схема устоя показаны на рис. 3. Высота стоек h - 6,9 м; сечение - 35×35, марка бетона - М-400; ЕJ = 3500 тм2; d = 0,35 м; количество стоек n = 5. Характеристика m = 200 т/м4. 2. Выбор расчетной схемы устояОснование берегового сооружения моста сложено мелкозернистым песком φ = 32°; на глубине 8,1 м залегает глина φ = 16°; с = 2 т/м2. Откосы не подтапливаются, заложение - 1:1,5. В соответствии с изложенным в п. 1.1 к данному случаю применима расчетная схема устоя как опоры в линейно-деформируемой среде. 3. Определение расчетных параметров и коэффициентовРасчетная ширина стоек bр = 1,5d + 0,5 м = 1,5×0,35+0,5 = 1 м. Коэффициент Приведенная длина стоек в расчете принимается . Коэффициент где
Рис. 3. Общий вид стоечного устоя
Кв - коэффициент, принимаемый по табл. 4 прилож. 3 СНиП II-15-74;при Кв = 0,12. 4. Нахождение действующих нагрузок и воздействийОпределение нагрузок, действующих в уровне верха стоек, выполнено в табл. 6-10. Наиболее опасным сочетанием нагрузок при расчете стоек на действие момента и горизонтальной силы является Y Нагрузка на одну стойку - нормативная: вертикальная горизонтальная момент расчетная: вертикальная горизонтальная момент;
Крен фундамента выражается формулой: ω = ω1+ω2,где - поворот фундамента вследствие неравномерной осадки основания от воздействия веса конуса и насыпи; S1 и S2 - осадки граней фундамента, найденные методом эквивалентной системы; ω2 - угол поворота фундамента от воздействия момента от продольных сил N и ΣΝ, передаваемых стойками на фундамент; ΣN - разность между весом стоек и весом равновеликого объема грунта: ΣN = 6,9×0,122 (2,5-1,9)×5+0,86×5 = 6,8 т;ω2 = (N+ΣN)l×G = (177,0+6,8)×0,3×0,033×10-3 = 1,78×10-3 рад.Осадки граней фундамента S1, и S2 определяются от нормативных нагрузок. Схема нагрузки основания и эпюры давлений σz - показаны на рис. 4. Рo = γ·Н = 1,9×8,0 = 15,2 т/м2;В = b1+mН = 14,0+1,5×8 = 26 м.Осадки находятся по формуле: расчет дан в табл. 11;
Таблица 6 Сбор нагрузок, действующих в уровне верха стоек
Рис. 4. Эпюры давлений в основании:а - к определению узла ω1; б - к определению средней осадкиНачальные параметры, коэффициенты
Таблица 8 Определение М (расчетные значения)α2EJ=1120
Таблица 9 Определение Qz (расчетные значения)α3EJ = 632
Определение Yz (нормативные значения)
ω = ω1+ω2 = (2,50+1,78)×10-3 = 4,28×10-3 рад.Нормативный угол поворота: Расчетная величина (коэффициент перегрузки 1,5): φ″h = 1,5×0,91×10-3 = 1,36×10-3 рад.5. Определение неизвестных начальных параметровОт нормативных нагрузок: От расчетных нагрузок: 6. Построение эпюр моментов, поперечных сил, перемещенийОпределение Мz, Qz, Yz произведено в табл. 7-10 (см. табл. 7-10), результаты графиков даны на рис. 5. Рис. 5. Эпюры Yz, Мz, Qz:1 - Y′z, М′z, Q′z; 2 - Y″z, М″z, Q″z; 3 - Yz = Y′z+ Y″z; Мz = M′z+M″z; Qz = Q′z+Q″z7. Проверка допустимости перемещенийYo = Y′о+Y″о = 4,68×10-3+0,88×10-3 = 5,56×10-3 = 0,56 см < 1 см.8. Проверка прочности основанияОпределение давления где N+ΣN = 192+1,1×6,8 = 199,5; Fф = 2,2×12 = 26,4 м2; Р1max = 16,9 т/м2.Давление определяется формулой: σh = αz рo; Рo = 1,2×15,2 = 18,2 т/м2; αz = 0,679; σh = 0,679×18,2 = 12,3 т/м2. Нахождение общего давления у передней грани фундамента: q = σh+P1+γ′hn где γ′hn - природное давление; q = 12,3+16,9+2,1×1,8 = 32,98 т/м2 = 3,30 кг/см2.Расчетное сопротивление выражается формулой: R = 1,2 {R'[1+K1(а-2)]+K2γ′(hn-3)+(K2-0,1) σh};K1 = 0,08; K2 = 0,25; R' = 2,0 кг/см2;R = 1,2 {2,0 [1+0,08(2,2-2)]+0,25×2,1(1,8-3)+(0,25-0,1)×12,3} = 3,9 кг/см2 > q = 3,30 кг/см2.Прочность основания обеспечена. 9. Проверка прочности подстилающего слоя мягкопластичной глины определяется формулой:αzPo = 0,538×18,2 = 9,79 т/м2; βzP1cp = 0,172×7,4 = 1,26 т/м2;R = 1,2·{1/1+0,02·(2,2-2)/+0,15×2,1·(8,1-3)+(0,15-0,1)·9,79} = 1,2·(1+1,6+0,49) = 3,70 кг/см2;βzP1cp+αzPo+ γ′z = 1,26+9,79+2,1×8,1 = 28 т/м2 = 2,8 кг/см2 < R =3,7 кг/см2.Прочность подстилающего слоя обеспечена. 10. Определение осадки основанияДействующая нормативная нагрузка; РoH = 15,2 т/м2; В = 26 м; Ỹ = 4,43 м;а = 2,2м; bф = 12 м.Расчет давлений по оси z1 (см. рис. 4 б) приведен в табл.12. Таблица 12
Приложение 3Функции влияниятаблица 1
Таблица 2
|