ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Расчет сооружений на сейсмические воз­действия выполняется в рамках прохождения определенных этапов:

а) выбор площад­ки строительства;

б) уточнение рас­четной балльности площадки (в соответствии с конкретными грунтовыми условиями) по отношению к балльности всего района;

в) оценка динамических свойств сооружения (определение частоты и формы собственных колебаний сооружения);

г) определение сейсмических нагрузок, действующих на сооружения; д) расчет элементов конструкций сооружения по несущей способности на особое сочетание наг­рузок с учетом сейсмических.

При выполнении расчетов сооружения на сейсмические воз­действия свайные фундаменты могут рассматриваться в различных аспектах. Исходя из этого, одним из вопросов является степень влияния свайных фундамен­тов на расчетную сейсмичность площадки строительства. Данная проблема еще недостаточно изучена, однако некоторых результатов уже удалось достичь.

Установлено, что в случае при­менения свай-стоек, прорезающих слабые грунты и опирающихся на скаль­ное основание, сооружение в части восприятия вертикальных нагрузок при определенных условиях может испытывать воздействия, близкие к тем, которые оно испытывало бы при непосредственном опирании на скальное основание. Таким образом, свайные фундаменты могут уменьшать, в определенной степени, сейсмические воздействия на сооружения в вертикальном направлении.

В случае применения забивных свай можно ожидать снижения горизонтальной составляющей сейсмических воздействий, поскольку сваи уплотняют грунт и, следовательно, более плот­ный грунт (исходя из общих представлений о влиянии грунтов на интенсив­ность сейсмического воздействия) уменьшит это воздействие на сооруже­ние. Однако в целом информации о влиянии свайных фундаментов на интенсив­ность сейсмических воздействий еще крайне мало, и вопрос, безусловно, заслуживает внимания исследователей.

Вторая проблема, это учет наличия свайных фундаментов при оценке дина­мических свойств сооружений. Свайные фундаменты различных конст­рукций (высокий или низкий ростверк, условия сопряжения свай с рост­верком, размеры поперечного сечения свай) могут оказать определенное влияние на частоты и формы собственных колебаний сооружения и, следовательно, на нагрузки, которые возникают в сооружении при этих колебаниях.

Третья проблема - это оценка несущей способности свайного фундамента как одного из элементов сооружения. При расчете свайных фун­даментов на сейсмические воздействия необходимо учитывать работу свай на изгиб от горизонтальной сейсмической нагрузки и возможность сниже­ния несущей способности свай на вертикальную нагрузку.

Рассматривая работу свай при землетрясениях, следует учитывать, что сваи являются частью общей динамической системы «сооружение - грунт», которая, с одной стороны, передает сейсмические колебания на сооружение от грун­та, а с другой стороны, участвуя в процессе колебаний, воспринимает сейс­мические нагрузки от сооружения, и как конструктивный элемент не должна исчерпать свою несущую способность раньше, чем сооружение.

Несущая способность сваи на вертикаль­ную нагрузку определяется по формулам статики с введением ряда коэффициентов, меньших единицы, учитывающих, сейсмический характер работы сваи. Такое решение достаточно удобно, поскольку учитывает влияние сейсмических воздействий разной интенсивности.

Работа сваи в сооружении при сейсмических колебаниях обусловлена следующими факторами:

а) свая воспринимает статическую нагрузку;

б) при зем­летрясении возникают динамические силы от раскачивающегося сооруже­ния, они действуют на голову сваи, грунт вокруг которой участвует в ко­лебательном движении, вызванном сейсмическими волнами.

В результате возникают условия, при которых свая может испытывать некоторые до­полнительные осадки. Следует нормировать разность таких осадок, чтобы сооружение могло выдержать эти осадки и не разрушиться.

Дополнительные осадки сваи начинают развиваться после то­го, как амплитуда колебаний на уровне поверхности грунта достигает оп­ределенного значения. Дополнительные осадки коротких свай возрастают примерно пропорционально амплитуде колебаний; с увеличением длины свай влияние амплитуды колебаний на дополнительные осадки умень­шается. При достижении сваями определенной глубины погружения (для забивных призматических и набивных свай примерно 8-11 м) дополнительные осадки практически не развиваются.

Уменьшение несущей способности оснований свай при сейсмических воздействиях, вызывается двумя причинами:

а) голова сваи, являющейся элементом системы «фундамент-сооружение», колеблется не так, как колеблется грунт при землетрясении, перемещения головы сваи и поверхности грунта не совпадают, поэтому возможно наличие пластических деформаций грунта око­ло сваи, образование зазоров, и как следствие, возможна потеря контакта сваи с грун­том в верхней зоне, а значит уменьшение сопротивления грунта по боко­вой поверхности сваи;

б) при сейсмических колебаниях изме­няются физико-механические характеристики грунта (эквивалент­ные значения физико-механических характеристик грунта, ис­пользуемые в расчете несущей способности при сейсмических колебаниях); за счет этого в той зоне, где контакт сваи с грунтом не нарушается, так­же возможно некоторое уменьшение несущей способности основания сваи.

Взаимодействие сейсмических волн с фундаментами, зависит от конструкции фундаментов. Так, воздействие сейсмической волны на сплошную стену ленточного фундамента будет значительно отличаться от воздействия на редко расположенные в грунте стержни свайного или столб­чатого фундамента.

Установлено, что здание на свайном фундаменте только за счет мень­шей площади контакта с фронтом перемещающейся волны получает сейсмиче­ских нагрузок примерно на треть меньше, чем такое же здание на ленточном фундаменте. Этот вывод был подтвержден экспериментальными исследования­ми в натурных условиях на зданиях, построенных рядом на расстоянии 30 м друг от друга на одной и той же строительной площадке в идентичных грун­товых условиях.

Анализ последствий известных землетрясений (главным об­разом в Японии, где широко распространены слабые и водонасыщенные грунты) свидетельствует о том, что забивные сваи, особенно сваи-стойки, являются надежным типом фундамента, уменьшающим по сравнению с устройством обычных ленточных или столбчатых фундаментов возможность образования оста­точных деформаций.

Способность свай оказывать сопротивление выдергиванию уменьшает при сейсмических колебаниях воз­можность отрыва фундамента или части его подошвы от грун­та, что препятствует образованию поворотов, наклонов и опро­кидыванию сооружений. Кроме того, сваи уплотняют окружа­ющий их грунт, вовлекая значительные его массы в свободные колебания сооружения, что в некоторой степени уменьшает амплитуды этих колебаний.

При изучении деформаций зданий и сооружений, вызванных землетрясением в японском городе Ниигата в 1964 г., зафиксированы значительно большие осадки зданий на коротких сваях, концы которых находились в рыхлых водонасыщенных грунтах, чем на сваях-стойках, достигающих плотные слои грунтов. Железобе­тонные сваи во многих случаях наклонились и имели трещины (чаще всего на участках сопряжения с ростверком).

Здания с подвальными этажами деформировались меньше, чем здания на ленточных фундаментах мелкого заложения. Хорошо сохра­нились здания на сплошных фундаментных плитах. Зафиксировано уменьшение степени повреждения зданий при уве­личении глубины заложения подошвы фундаментов, а также установлено, что не пострадало ни одно здание на сваях, длина ко­торых была не менее 20 м и концы заглублены в плотные слои песчаных грунтов.