Вопрос 2. Виды свай и свайных фундаментов. Основные положения проектирования и расчета.

Вопрос 2. Виды свай и свайных фундаментов. Основные положения проектирования и расчета.

Сваями называются относительно длинные стержни, погружаемые в грунт в готовом виде или изготавливаемые в грунте в вертикальном или наклонном положении передающие нагрузку на основание. По способу передачи вертикальных нагрузок от здания на грунт сваи подразделяют на сваи-стойки - проходящие слабые слои грунта и опирающиеся своими концами на прочный грунт Fd=Rs; Висячие сваи-не достигающие прочного грунта и передающие нагрузку на грунт трением, возникающим между боковой поверхностью сваи и грунтом, в расчет также включают сопротивление под нижним концом. Fd=Rf+Rs

По способу погружения в грунт сваи бывают:

1.Забивные с помощью ударного молота
2.Вибропогружение.3.Вдавливание.4.Ввинчивание

5.Набивные –буровые, набивные, буронабивные.подразделяются на: сваи с оболочкой извлекаемой из грунта, свая с неизвлекаемой оболочкой, сваи без оболочки.

Устраивают сваи с шагом больше 3-6d

По материалу изготовления забивные сваи бывают железобетонные, металлические и деревянные. Свайные фундаменты устраивают при строительстве на слабых грунтах, а также в тех случаях, когда достижение естественного основания экономически или технически не целесообразно из-за большой глубины его заложения. В зависимости от несущей способности и конструктивной схемы здания сваи бывают: одиночные, группа свай (свайный куст); свайное поле; леточные свайные фундаменты. Поверху сваи объединятся между собой ростверком, он воспринимает, распределяет и передает на сваи нагрузку от расположенного выше сооружения. Может быть сборным или монолитным. При деревянных сваях, ростверк также выполняют из дерева.

Различают с фундаменты с низким и высоким свайным ростверком.

Скорость погружения сваи принято характеризовать величиной ее погружения от одного удара, называемой отказом сваи.

При забивке сваи под нижним концом образуется переуплотненная зона.Если забивать сваю дальше она может сломаться.Чтобы этого не происходило, сваю оставляют на некоторое время в покое (песок3-5 суток, глина 30 ч) и после релаксации напряжений в грунте свая может погружаться дальше такое явление называется Ложный отказ.
Отказ определенный после отдыха называется действительный отказ.

Для расчета и проектирования свайных фундаментов необходимо знать несущую способность одиночной сваи. Несущая способность сваи определяется из условий работы материала, из которого она изготовлена, и грунта, в который она погружена. Для определения несущей способности свай по грунту существует несколько способов: практический, расчет по формулам и таблицам, динамический, статического зондирования и по данным испытания статической нагрузкой.

Висячие сваи

Их расчет производится, как правило, только по прочности грунта, т.к. по прочности материала она всегда заведомо выше.

Существуют следующие методы расчета:

· Динамический метод;

· Метод испытания пробной статической нагрузкой;

· Метод статического зондирования;

 

Динамический метод заключается в определении несущей способности сваи по величине ее отказа на отметке близкой к проектной. В основу метода положено, что работа, совершаемая свободно падающим молотом, GH (где G – вес молота, H – высота падения молота) затрачивается на преодоление сопротивления грунта погружению сваи; на упругие деформации системы «молот-свая-грунт»; на превращение части энергии в тепловую; разрушение головы сваи и т.п., т.е. на неупругие деформации.

В общем виде эта зависимость записывается следующим образом:

где G∙ H – работа падающего молота;

F_u∙ S_a – работа на погружение;

G∙ h – работа на упругие деформации;

α ∙ G∙ H – работа на неупругие деформации;

F_u – предельное сопротивление сваи вертикальной нагрузке, кН;

S_a – отказ сваи, м;

Α – коэффициент, учитывающий превращение части энергии в тепловую и т.п.

Отказ сваи (S_a) определяется либо по одному удару молота, либо, что чаще, вычисляется как среднее арифметическое значение погружения сваи от серии ударов, называемой залогом (число ударов от 4-х до 10).

 

Метод испытания свай статической нагрузкой. Несмотря на сложность, длительность и значительную стоимость этот метод позволяет наиболее точно установить предельное сопротивление сваи с учетом всех геологических и гидрогеологических условий строительной площадки

Метод используется либо с целью установления предельного сопротивления сваи, необходимого для последующего расчета фундамента, либо с целью проверки на месте несущей способности сваи, определенной каким-либо другим методом, например, практическим.

Проверке подвергаются в среднем до 1% от общего числа погруженных свай, но не менее 2-х.

Схема испытания выглядит следующим образом:

Нагрузка прикладывается ступенями, равными от ожидаемого предельного сопротивления сваи. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки сваи. Осадка считается условно стабилизировавшейся, если ее приращение не превышает 0, 1мм за 1 час наблюдения для песчаных грунтов и за 2 часа для глинистых.

По данным испытаний строятся два графика:

Практика показала, что графики испытаний свай делятся на два типа (рис. 1.13б):

· с характерным резким переломом, после которого осадка непрерывно возрастает без увеличения нагрузки, данная нагрузка в этом случае и принимается за предельную;

· с плавным очертанием без резкого перелома, что затрудняет определение предельной нагрузки. В этом случае за предельную принимается та нагрузка, под воздействием которой испытываемая свая получила осадку S=ζ ∙ S_u

где ζ – переходной коэффициент, комплексно учитывает ряд факторов:

несоответствие между осадкой одиночной сваи и сваи в кусте,

кратковременность испытания (главный фактор) по сравнению с

длительностью эксплуатации здания и т.п., принимается равным ζ =0, 2;

S_{u, mt} – предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания (по СНиП 2.02.01-83^*).

В итоге расчетная нагрузка на сваю по результатам статических испытаний:

где γ _с – коэффициент условий работы;

γ _g – коэффициент надежности по нагрузке;

F_u – частное значение, т.е. нормативное значение.

 

Метод статического зондирования грунтов - более дешевый и быстрый метод по сравнению с испытанием свай статическими нагрузками.

Заключается во вдавливании в грунт стандартного зонда, состоящего из штанги с конусом на конце (d_кон = 36 мм, F = 10 см², < заострения 60º ). Конструкция зонда позволяет как общее сопротивление его погружения, так и величину лобового сопротивления конуса.

Так как характер деформации грунтов при вдавливании свай и зонда аналогичен, полученные данные можно использовать для определения предельных сопротивлений свай.

F_d = AR+ f·h·U

f = B₂·f_з ; AR - сопротивление острия зонда

R = B1·q_з ; h - длина сваи

B₁ B₂ – переходные коэффициенты учитывающие разные размеры зонда и сваи.

Наряду с зондами для определения НС свай используются также эталонные сваи сечением 10х10 см двух типов – для измерения сопротивления грунта только под острием эталонной сваи, а второй – под острием и по ее боковой поверхности

Опускные колодцы.

Представляют собой замкнутую в плане и открытую сверху и снизу полую конструкцию, бетонируемую или собираемую из сборных элементов на поверхности грунта и погружаемую под действием собственного веса или дополнительной пригрузки по мере разработки грунта внутри нее (рис.13.1 и 13.2.).

Рис.13.1 Последовательность устройства опускного колодца:

а – изготовление первого яруса опускного колодца на поверхности грунта; б – погружение первого яруса опускного колодца в грунт; в – наращивание оболочки колодца; г – погружение колодца до проектной отметки; д – заполнение бетоном полости опускного колодца в случае использования его как фундамента глубокого заложения

Рис.13.2. Формы сечений опускных колодцев в плане:

а – круглая; б – квадратная; в – прямоугольная; г – прямоугольная с поперечными перегородками; д – с закругленными торцевыми стенками

Наиболее рациональной является круглая форма, т.к. стенка круглого колодца работает только на сжатие, и при заданной площади основания обладает наименьшим наружным периметром, что уменьшает силы трения по их боковой поверхности, возникающие при погружении. Плоские же стенки опускных колодцев в основном будут работать на изгиб (что далеко не выгодно), но с другой стороны прямоугольная и квадратная форма позволяет более рационально использовать площадь внутреннего помещения.

В любом случае очертание колодца должно быть в плане симметричным, т.к. всякая асимметрия осложняет его погружение (прекосы, отклонения).

Конструкционные материалы для опускных колодцев:

- дерево;

- каменная или кирпичная кладка;

- металл;

- бетон

- ж/б- наиболее распространен:

1.Монолитные (только когда форма колодца в плане имеет сложное очертание, нет возможности изготовления сборных элементов, при проходке скальных грунтов и грунтов с большим числом валунов).

2.Сборные (наибольшее предпочтение)

Погружению колодца в основание сопротивляются силы трения стен колодца о грунт. Для уменьшения трения колодцам придают коническую или цилиндрически уступчатую форму.Оболочка опускного колодца из монолитного ж/б состоит из двух основных частей: 1 – ножевой; 2 – собственно оболочки. См. рис. 13.3.

Рис.13.3. Форма вертикальных сечений монолитных опускных колодцев:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – цилиндрическая ступенчатая; 1 – ножевая часть опускного колодца; 2 – оболочка опускного колодца; 3 – арматура ножа колодца

Ножевая часть шире стены оболочки на 100…150мм со стороны грунта.

Толщина стен монолитных колодцев определяется из условия создания веса, необходимого для преодоления сил трения.

Бетон должен быть прочным, плотным (вес) и иметь высокую водонепроницаемость – В35.

Монолитные ж/б колодцы изготавливают непосредственно над местом их погружения на специально изготовленной выровненной площадке. При hк> 10м его бетонирование ведется отдельными ярусами, последовательно. К опусканию преступают только после набором бетоном 100% прочности, что непроизводительно (потеря времени).

К недостаткам монолитных ж/б опускных колодцев также следует отнести:

- большой расход материалов, не оправданный требованиями прочности;

- значительная трудоемкость, за счет их изготовления полностью на строительной площадке;

Преимущества монолитных колодцев:

- простота изготовления;

- возможность придания им любой формы;

- отсутствие (как правило) опасности всплытия

Из сборных опускных колодцев наибольшее распространение получили:

- колодцы из пустотелых прямоугольных элементов

Кессоны.

В сильно обводненных грунтах, содержащих прослойки скальных пород или твердых включений (валуны, погребенную древесину и т.д.) погружение опускных колодцев по схеме «насухо» требует больших затрат на водоотлив, а разработка грунта под водой невозможна из-за наличия в грунте твердых включений.

В этом случае используется кессонный метод устройства фундаментов глубокого заложения.
Кессон схематически представляет собой опрокинутый вверх днищем ящик, образующий рабочую камеру, в которую под давлением нагнетается сжатый воздух, уравновешивающий давление грунтовой воды на данной глубине, что не позволяет ей проникать в рабочую камеру, благодаря чему разработка грунта ведется насухо без водоотлива.

Рис.13.9. Схема устройства кессона:

а – для заглубленного помещения; б – для глубокого фундамента; 1 – кессонная камера; 2 – гидроизоляция; 3 – надкессонное строение; 4 – шлюзовой аппарат; 5 – шахтная труба

Метод является более дорогостоящим и сложным, поскольку требует специального оборудования. Кроме того, этот способ связан с пребыванием людей в зоне повышенного давления воздуха, что значительно сокращает продолжительность рабочих смен (до 2 часов при 350…400кПа(max)) при максимальной глубине 35-40м.

В связи с вышесказанным кессоны применяют значительно реже других типов фундаментов глубокого заложения.

Кессонная камера, высота которой по санитарным нормам принимается не менее 2, 2 м, выполняется из ж/б и состоит из потолка и стен, называемых консолями.

 

Способ погружения кессона аналогичен опускному колодцу. Глубину погружения кессона и его внешние размеры определяют так же, как и для опускных колодцев.

Шлюзовой аппарат, соединенный с кессонной камерой шахтными трубами, предназначен для шлюзования людей и грузов при их спуске в кессонную камеру и при подъеме из нее.

Грунт в камере кессона разрабатывается или ручным или гидромеханическим способом.

Имеется опыт разработки грунта в кессонной камере вообще без присутствия в ней рабочих, когда все управление гидромеханизмами выносится за ее пределы. Такой способ опускания кессона называется слепым.

 

Тонкостенные оболочки.

Тонкостенная оболочка представляет собой пустотелый цилиндр из обычного или предварительно напряженного ж/б. Они начали широко применяться только с появлением мощных вибропогружателей, позволяющих погружать в грунт элементы больших размеров.

Рис.13.10. Конструкция типовой оболочки диаметром 1, 6м

Оболочки выпускаются секциями длиной от 6 до 12м и наружным диаметром от 1 до 3м. Длина секций кратна 1м, толщина стенок составляет 12см. На рис 13.10 в качестве примера показана секция оболочки диаметром 1, 6м.

Наилучшими типами стыков являются сварной, применяемый для предварительной сборки на строительной площадке, и фланцевый на болтах, используемый для наращивания оболочек в процессе погружения. (рис.13.11)

Рис.13.11. Стыки секций оболочек:

а – сварной стык; б – фланцево-болтовой стык; 1 – стержень продольной арматуры; 2 – ребро; 3 – обечайка; 4 – сварной шов; 5 – стальной стержень; 6- болт

Погружение оболочек в грунт осуществляется, как правило, вибропогружателями. Для облегчения погружения, а также для предотвращения разрушения оболочки при встрече с твердыми включениями конец нижней секции снабжается ножом.

Обычно для повышения сопротивления оболочки действию значительных внешних усилий обычно ее полость после погружения до заданной глубины заполняется бетоном. При погружении в песчаные грунты внизу оставляют уплотненное песчаное ядро высотой не менее 2м. (рис.13.12а)

Рис.13.12 Конструкция сборных железобетонных оболочек:

а – оболочка с уплотненным песчаным ядром; б – усиленная оболочка с несущей диафрагмой; в – оболочка, заделанная в скалу; г – оболочка с уширенной пятой; 1 – оболочка; 2 – бетонное заполнение; 3 – нож; 4 – несущая диафрагма; 5 – арматурный каркас; 6 – буровая скважина в скальной породе; 7 – уширенная пята

Благодаря этому сохраняется естественная плотность песчаного грунта в основании оболочки, что обеспечивает лучшее использование его несущей способности.

Наиболее рационально тонкостенные оболочки применять при больших вертикальных и горизонтальных нагрузках. Такие сочетания нагрузок наиболее характерны для мостов, гидротехнических и портовых сооружений.

Буровые опоры.

Буровые опоры представляют собой бетонные столбы, которые возводят путем укладки бетонной смеси в предварительно пробуренные скважины. Укладка бетонной смеси производится под защитой либо глинистого раствора, либо обсадных труб, извлекаемых при бетонировании.

Технология устройства буровых опор та же, что и буронабивных свай. По существу, они представляют собой буронабивные сваи большого сечения (d > 80см).

Нижние концы буронабивных опор обязательно доводят до плотных грунтов, поэтому они работают как стойки. Иногда их делают с уширенной пятой.

Буровые опоры обладают значительной несущей способностью (1000т) и рассчитываются как сваи-стойки.

Стена в грунте.

Этот способ предназначен для устройства фундаментов и заглубленных в грунт сооружений (рис. 13.13).

Рис.13.13. Конструкции, сооружаемые способом «стена в грунте»: а – котлованы в городских условиях; б – подпорные стенки; в – тоннели; г – противофильтрационные диафрагмы; д – подземные резервуары

Способ заключается в том, что сначала по контуру будущего сооружения в грунте отрывается узкая глубокая траншея (b=60…100 см, Hd40…50 м) с помощью жесткого грейфера или механизированного траншеекопателя на проектную глубину с врезкой в водоупор, которая затем заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами.

Возведенная таким образом стена может служить конструктивным элементом фундамента, ограждением котлована или стеной заглубленного помещения.

Помимо заглубленных сооружений способом «стена в грунте» можно устраивать противофильтрационные завесы. Устройство «стены в грунте» наиболее целесообразно в водонасыщенных грунтах при высоком уровне подземных вод. Способ особенно эффективен при заглублении стен в водоупорные грунты, что позволяет полностью отказаться от водоотлива или глубинного водопонижения.

Существенным достоинством способа является возможность устройства глубоких котлованов и заглубленных помещений вблизи существующих зданий и сооружений без нарушения их устойчивости, что особенно важно при строительстве в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений.

Технология устройства «стены в грунте».

1. Сооружение «стена в грунте» начинается с устройства сборной или монолитной форшахты, которая служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетолитных труб, сборных железобетонных панелей и т.п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части.

2. Отрывка котлована отдельными захватками. Откопав первую захватку, на всю глубину стены по ее торцам устраивают ограничители, арматурный каркас и укладывают бетонную смесь.

3. Затем переходят к захватке «через одну», а после ее устройства – к промежуточной и т.д., в результате получается сплошная стена (рис. 13.14).

Рис.13.14. Последовательность возведения «стены в грунте»:

а – первая очередь работ; б – вторая очередь работ; 1 – форшахта; 2 – базовых механизм; 3 – бетонолитная труба; 4 – глинистый раствор; 5 – грейфер; 6 – траншея под одну захватку; 7 – арматурный каркас; 8 – бетонная смесь; 9 – забетонированная секция; 10 – готовая «стена в грунте»

Такой метод называется методом последовательных захваток или секционным методом.

Для удержания стен захватки против обрушения по мере углубления в нее подливают тиксотропный глинистый раствор.

После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооружения (т.е. конструкция замыкает в плане будущее сооружение) поэтапно удаляют грунт из внутреннего пространства. При необходимости на каждом этапе по периметру устраивают грунтовые анкера или распорки. Если крепления не изготавливаются, то устойчивость стены при удалении грунта обеспечивается ее заделкой в основание. После полного удаления грунта из внутреннего пространства до проектной отметки возводят внутренние конструкции.

ВОПРОС 11. Диаграмма деформирования бетона при статическом загружении. Модуль упругости, модуль деформаций, модуль сдвига, коэффициент Пуассона. Сцепление арматуры с бетоном. Анкеровка арматуры в бетоне.

Модуль упругости Юнга Е показывает отношение нормальных напряжений к относительным деформациям в пределах пропорциональности.Определяется опытным путем при испытании стандарт­ных образцов на растяжение. Так как нормальные напряжения в материале равны силе, деленной на начальную площадь сечения: σ = Р/F_о , а относительное удлинение ε - отношению абсолютной деформации к начальной длине ε _пр = Δ l/l_o

модуль Юнга согласно закону Гука можно выразить так Е = σ /ε _пр= Pl_o/F_oΔ l = tg α

При кратковременном действии нагрузки деформации бетона почти прямо пропорциональны напряжениям, кроме того такие деформации остаются упругими. При расчетах на кратковременное действие нагрузки (до 1-2 часов) значение приведенного модуля упругости на участках без трещин определяется по формуле: E_bп= φ _b1E_b (324.1)

где φ _b1= 0.85 - для тяжелых, мелкозернистых и легких бетонов на плотном мелком заполнителе; = 0.7 - для поризованных и легких бетонов на пористом мелком заполнителе.

При длительном действии нагрузки того же значения, деформации начинают увеличиваться до некоторого предела, например при σ = R_b - до точки 1 на диаграмме напряжений. После снятия нагрузки пластические деформации ε _пл останутся (потому они пластическими и называются), а при повторном загружении до указанного предела деформации будут прямо пропорциональны напряжениям. Процесс нарастания пластических деформаций с течением времени при постоянных нормальных напряжениях называется ползучестью бетона.

Рисунок 324.2
На рисунке 324.2 показана некоторая высота сжатой зоны сечения у, при которой нормальные напряжения σ будут прямо пропорциональны расстоянию от центра тяжести до рассматриваемой точки, это соответствует работе бетона в области условно упругих деформаций. При этом изменение деформаций можно рассматривать по зависимости, показанной на рисунке 324.2.а) или 324.2.б). Часто расчетами на прочность допускается наличие в сжатой области пластического шарнира, при котором изменяется эпюра напряжений и соответственно увеличивается значение деформаций:

Рисунок 324.3

На основании этого для упрощения расчетов обычно принимается двухлинейная (рис. 324.3. а) или трехлинейная (рис. 324.3.б) диаграмма состояния сжатого бетона. Согласно СП 52.101.2003 трехлинейная диаграмма выглядит так:

Рисунок 324.4

Где ε _b1= 0.6R_{b, n}/E_b1

Е_b1 - при кратковременном действии нагрузки принимается равным E_b, а при длительном действии нагрузки определяется по следующей формуле: E_b1= E_b/(1 + φ _{b, cr})

где φ _{b, cr} - коэффициент ползучести бетона, определяемый в зависимости от класса бетона и влажности окружающей среды. Таким образом учитывается третий фактор, влияющий на модуль упругости бетона. Модуль упругости бетона составляет 250-400∙ 10^-5 МПа

Коэффициент Пуассона μ показывает величину отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.
Под воздействием нагрузок не только увеличивается длина образца, но и уменьшается площадь рассматриваемого поперечного сечения. Для образца, имеющего круглое сечение, изменение площади сечения можно выразить так: ε _поп = Δ d/d_o
Тогда коэффициент Пуассона можно выразить следующим уравнением: μ =ε _поп/ε _пр
Модуль сдвига G показывает отношение касательных напряжений т к углу сдвига
Модуль сдвига G может быть определен опытным путем при испытании образцов на кручение.
При угловых деформациях рассматриваемое сечение перемещается не линейно, а под некоторым углом - углом сдвига γ к начальному сечению. Так как касательные напряжения равны силе, деленной на площадь в плоскости которой действует сила:
т = Р/F а тангенс угла наклона можно выразить отношением абсолютной деформации Δ l к расстоянию h от места фиксации абсолютной деформации до точки, относительно которой осуществлялся поворот: tgγ = Δ l/h то при малых значениях угла сдвига модуль сдвига можно выразить следующим уравнением: G = т /γ = Ph/FΔ l
Модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона связаны между собой следующим отношением: Е = 2(1 + μ )G

Сцепление арматуры с бетоном обеспечивается следующими факторами:

1. Химическое склеивание арматуры с бетоном.

2. Адгезия бетона и арматуры.

3. Сопротивление выступов на теле арматурного стержня упирающихся в бетонные консоли между данными выступами.

При этом, на долю последнего фактории приходится примерно 75% усилия сцепления бетона с арматурой, поэтому остальными факторами пренебрегают, кроме того, сами эти факторы имеют сильный разброс и сильно зависят от технологии возведения (например, температуры бетона и арматуры, водоцементного отношения и т.д.).

 

Длина анкеровки – необходимая длина заделки арматурного стержня в бетон, при которой усилие сцепления данного стержня с бетоном будет не менее предельного сопротивления стержня по материалу (по пределу текучести).

Длина анкеровки зависит от следующих факторов:

1. Класс бетона. Чем более прочным является бетон, тем сильнее сопротивляется перемещению заключенной в нем арматуры. Фактически длина анкеровки зависит от прочности бетона на растяжение, но с учетом того, что между классом бетона по прочности на сжатие и прочностью бетона на растяжение существует зависимость, принято считать, что длина анкеровки зависит от класса бетона по прочности на сжатие, хотя строго говоря, это не совсем верно.

2. Класс арматуры. Чем выше класс стали арматурного стержня, тем большее усилие способен обеспечить данный стержень по материалу (по пределу текучести), что приводит к необходимости большей заделки арматурного стержня в бетон.

3. Диаметр арматуры. Чем выше класс стали арматурного стержня, тем большее усилие способен обеспечить данный стержень по материалу (по пределу текучести), что приводит к необходимости большей заделки арматурного стержня в бетон. Можно говорить о том, что сопротивление стержня пропорционально площади его поперечного сечения, а следовательно второй степени диаметра, в то время как усилие сцепления стержня пропорционально площади поверхности сцепления, т.е. первой степени диаметра. Таким образом, при прочих равных факторах, с увеличением диаметра необходимая длина заделки возрастает пропорционально первой степени диаметра (или просто диаметру).

4. Профиль поверхности арматурных стержней. При наличии периодического профиля арматуры, бетон лучше сопротивляется перемещению арматурного стержня, так как для такого перемещения необходим срез консольных участков бетона в зонах между выступами на теле арматурного стержня.

5. Напряженное состояние бетона в направлении, перпендикулярном оси арматурного стержня. Данное напряженное состояние может возникать, например, на опорах изгибаемых элементах, где конец элемента обжимается опорной реакцией (точнее главными сжимающими напряжениями). Некоторое обжатие бетона повышает сцепление бетона с арматурой, т.к. возрастает усилие трения арматуры по бетону, кроме того для арматуры периодического профиля увеличивается несущая способность бетонных консолей между арматурными выступами. При малом обжатии бетона (менее 1/4 от расчетного сопротивления) влияние данного фактора не велико и расчетом не учитывается, при слишком большом усилии обжатия бетона (более 3/4 от расчетного сопротивления) начинается локальное разрушение бетона и данным фактором пренебрегают. Таким образом, данный фактор учитывают в расчете, если сжатие бетона в направлении перпендикулярном оси рассматриваемого стержня находится в диапазоне от четверти до трех четвертей от расчетного сопротивления сжатию.

6. Напряженное состояние бетона и арматуры. При вдавливании арматуры в бетон происходит расширение арматурного стержня, которому препятствует окружающий бетон, вследствие этого фактора при вдавливании арматуры в бетон сцепление выше, чем при выдергивании. Таким образом, при вдавливании арматурного стержня в бетон необходимая длина заделки будем меньше, чем при выдергивании. Можно выделить следующие виды напряженного состояния:

6.1 Растянутая арматура в растянутом бетоне. Данное напряженное состояние может возникать, например, в изгибаемых элементах без предварительного напряжения, где растяжение (например, нижней зоны в шарнирно-опертых балках вызывает растяжение одновременно и бетона, и арматуры).

6.2 Растянутая арматура в сжатом бетоне. Данное напряженное состояние может возникать, например, в предварительно напряженных элементах, где усилие от предварительного напряжения арматуры обжимает окружающий бетон.

6.3 Сжатая арматура в сжатом бетоне. Данное напряженное состояние может возникать, например, в сжатых элементах, где внешние усилия приводят одновременно к сжатию и бетона и арматуры.

6.4 Сжатая арматура в растянутом бетоне. Данное напряженное состояние может возникать, например, вследствие усадки бетона, что приводит к его растяжению и сжатию заключенной в нем арматуры при отсутствии внешних усилий, однако данное напряженное состояние является крайне редким, кроме того, усилия от усадки как правило, не учитываются в расчетах напрямую, в связи с чем при определении длины анкеровки данный вид напряженного состояния не рассматривается.

 

Оценка прочности кладки.

Способность кладки воспринимать, не разрушаясь, нагрузку от вышележащих конструкций и других воздействий называют прочностью.

Прочность кладки зависит от свойств кирпича (камня) и раствора, из которых кладка сложена. Предел прочности при сжатии, например, кирпичной кладки, выполненной даже на высокомарочном растворе, при обычных методах возведения составляет не более 40...50 % предела прочности кирпича. Объясняется это тем, что поверхности кирпича и шва кладки не идеально плоские, плотность и толщина слоя раствора в горизонтальных швах не везде одинакова и вследствие этого давление в кладке неравномерно распределяется по поверхности кирпича и вызывает в нем кроме напряжений сжатия напряжение изгиба и среза. Поэтому каменные материалы, слабо сопротивляющиеся изгибу, разрушаются в кладке раньше, чем сжимающие напряжения в них достигнут предела прочности при сжатии. Например, кирпич имеет в 4...6 раз меньший предел прочности при изгибе, чем при сжатии.

Напряженное состояние в кладке возникает не только от сжимающих, а и от горизонтальных, изгибающих, вибрационных и других нагрузок. Способность кладки сохранять свое положение при действии этих нагрузок называют устойчивостью. Предельные величины ее предусмотрены СНиПом.

Если постепенно увеличивать нагрузку на кладку до величины, превышающей предел прочности ее, то сначала в отдельных кирпичах появятся вертикальные трещины преимущественно под вертикальными швами, там, где концентрируются напряжения растяжения и изгиба. При росте нагрузки трещины увеличатся, разделяя кладку на столбики.Окончательное разрушение кладки происходит из-за выпучивания этих столбиков в результате потери ими устойчивости.Напряженное состояние при осевом сжатии кладок из других каменных материалов аналогично напряженному состоянию кирпичной кладки.

 

Влияние свойств раствора на прочность кладки. Чем ниже марка раствора в кладке, тем легче он сжимается и, следовательно, тем больше общие деформации кладки, а в каждом кирпиче — напряжения изгиба и среза. Поэтому, чтобы получить более прочную кладку, применяют соответственно раствор более высокой марки.

Однако повышение прочности раствора незначительно увеличивает прочность кладки. Гораздо большее значение имеет пластичность раствора. Пластичные растворы лучше расстилаются по постели кирпича, обеспечивая равномерную толщину и плотность шва. Это повышает прочность кладки за счет уменьшения напряжения изгиба и среза в отдельных кирпичах.

Влияние размеров и формы каменных материалов на прочность кладки. С увеличением высоты камня уменьшается количество горизонтальных швов в кладке и увеличивается пропорционально квадрату высоты камня сопротивление его изгибу. В связи с этим при одинаковой прочности камней более прочной оказывается кладка, выполненная из камней большей высоты.

При правильной форме камней швы в кладке заполняются раствором равномернее, чем при неправильной, лучше передается нагрузка от камня к камню, лучше перевязывается кладка и прочность ее более высока. На снижение прочности бутовой кладки, например, влияет главным образом то, что неправильная форма камней обеспечивает их соприкосновение лишь через отдельные участки, не создает хорошей перевязки кладки, значительную часть которой приходится заполнять раствором.

Влияние качества швов кладки на ее прочность. Хорошее заполнение горизонтальных и вертикальных швов раствором, равномерное уплотнение и одинаковая толщина швов, правильная перевязка обеспечивают высокую прочность кладки. Низкое качество кладки, применение растворов, не соответствующих требованиям проекта, могут привести к разрушению кладки.

Чем толще шов, тем труднее достигнуть равномерной его плотности и тем в большей степени кирпич работает в кладке на изгиб и срез. При толстых швах увеличивается деформация и снижается прочность кладки. Поэтому для каждого вида кладки установлена определенная толщина швов, увеличение которой снижает прочность конструкций. Насколько качество кладки характеризуется равномерностью заполнения раствором и уплотнения горизонтальных швов, можно видеть на примере одного из испытаний. Одновременно из одного и того же кирпича и раствора выполняли кладку высококвалифицированные каменщики и каменщики низкой квалификации. Предел прочности кладки, выполненной высококвалифицированными каменщиками, оказался 5 МПа, каменщиками низкой квалификации — 2, 8 МПа, т. е. в 1, 8 раза меньше.

Плотность кладки обусловливает такие качества каменных конструкций, как высокая огнестойкость, большая по сравнению с другими материалами химическая стойкость, сопротивляемость атмосферным воздействиям и, как следствие этого, большая долговечность. В то же время большая плотность увеличивает теплопроводность кладки, поэтому нередко наружные кирпичные стены зданий приходится делать намного толще, чем это требуется по условиям прочности и устойчивости.

При уменьшении плотности каменных материалов с 1800 (кладка из керамического кирпича) до 800 кг/см2 (камни из ячеистого бетона) толщина стен и потребность в материалах уменьшаются на 55%, а масса стен — на 80 %. Это значит, что для кладки выгодно применять материалы более низкой плотности (пустотелые, пористые), обладающие хорошими теплотехническими свойствами.

На теплотехнические свойства каменных конструкций влияет также качество кладки: стены с плохо заполненными раствором швами легко продуваются и промерзают зимой.

 

 

12345Следующая ⇒

Поделиться: