Расчет оснований по деформациям

11.1 Расчет оснований и грунтовых сооружений (плотин и др.) по деформациям необходимо производить с целью обоснования конструкции системы «сооружение-основание» или ее элементов, перемещения которых (осадки, горизонтальные перемещения, крены и пр.) не должны превосходить нормируемые значения, гарантирующие по этому фактору нормальные условия их эксплуатации и обеспечивающие техническую надежность и долговечность. При этом прочность и трещиностойкость конструкции должны быть подтверждены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

Расчет по деформациям должен производиться на основные сочетания нагрузок, а при соответствующем обосновании - и на особые сочетания нагрузок, с учетом характера их действия в процессе строительства и эксплуатации сооружения (последовательности и скорости возведения сооружения, графика наполнения водохранилища и т.д.).

11.2 Расчеты оснований по деформациям производят по предельным состояниям первой или второй групп (4.5.1 и 4.5.2). Они должны включать расчетный прогноз деформаций основания и сооружения при совместной их работе и проверку выполнения условия (1), в котором должно приниматься F ₀ = S и R ₀= S_u. Здесь S - совместная деформация основания и сооружения (осадки, горизонтальные перемещения, крены и др.), S_u - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемые по 11.5 - 11.11.

Коэффициенты g _п и g _lc принимаются в соответствии с указаниями 4.5; коэффициент g _c во всех случаях принимается равным единице.

Прогнозные значения деформаций S рекомендуется использовать также для анализа поведения систем «сооружение-основание» при оценках их надежности в период эксплуатации.

11.3 Предельные значения совместной деформации основания и сооружения R ₀ = S_u устанавливают техническими условиями проектирования конкретных типов гидротехнических сооружений исходя из необходимости соблюдения:

технологических требований к деформациям сооружения, включая требования к нормальной эксплуатации оборудования;

требований к прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций, включая общую устойчивость сооружения.

При назначении R ₀ = S_u необходимо учитывать допускаемую разность осадок между секциями и частями сооружений, не приводящую к нарушению нормальной работы межсекционных швов, возможность перелива воды через гребень плотины, нарушения нормальной эксплуатации связанных с сооружением коммуникаций и т.п.

11.4 Значения совместной деформации F ₀ = S следует определять, используя расчетные методы механики сплошной среды, исходя из условий совместной работы сооружения и основания. При этом должны быть в достаточной степени учтены реальные особенности работы системы «сооружение-основание»: пространственный характер деформирования, нелинейная связь между напряжениями и деформациями, последовательность возведения сооружения и приложения нагрузок, процессы консолидации и ползучести.

При этом определение деформаций сооружения и основания в зависимости от их класса и этапа проектирования следует производить как упрощенными (инженерными) методами расчета, регламентированными в 11.5-11.14, так и вычислительными методами, базирующимися на более детальной схематизации системы «сооружение-основание» и на использовании более совершенных математических моделей грунта (нелинейных, упругопластических, в том числе учитывающих многофазность, реологические свойства грунтов и т.д.).

Значения деформаций сооружений и их оснований в период эксплуатации следует определять с учетом развития процессов консолидации и ползучести грунтов, а в криолитозоне - также процессов промерзания и оттаивания грунтов. При этом надлежит использовать указанные выше вычислительные методы. На предварительных стадиях проектирования и для сооружений III и IV классов определение нестабилизированных значений деформации допускается производить упрощенными (инженерными) методами, например на основе решений одномерных задач консолидации и ползучести.

В тех случаях когда для определения деформаций обязательным является использование нескольких указанных методов (11.6.1 и 11.7.1), условие (1) должно выполняться для всех этих случаев.

11.5 Расчетная схема системы «сооружение-основание» должна разрабатываться с учетом факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и сооружения (конструктивных особенностей сооружения, технологии его возведения, характера сложения и свойств грунтов основания, возможности их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения, характера внешних воздействий и т.п.).

Расчетные модели системы «сооружение-основание» должны учитывать визуальное нарушение контакта между ними.

Расчеты деформаций системы «сооружение-основание» в необходимых случаях следует производить для условий пространственной задачи. Для сооружений, длина которых превышает ширину более чем в три раза, расчеты допускается производить для условий плоской деформации. В случае когда ширина сооружения превышает толщину сжимаемой толщи Н_с, определенную по указаниям 11.6.2 настоящего раздела, в два и более раза, допускается расчет осадок производить для условия одномерной (компрессионной) задачи.

11.6 Определение осадок сооружений

11.6.1 Определение суммарных осадок s в зависимости от класса и этапа проектирования сооружений, расположенных на нескальных основаниях, следует производить методом послойного суммирования и вычислительными методами в соответствии с 11.4.

На предварительных стадиях проектирования (для сооружений III и IV классов - на всех стадиях проектирования) для определения значений s допускается ограничиться методом послойного суммирования в пределах сжимаемого слоя Н_с по формуле

                                                                        (29)

где s _{z , p , i} - дополнительное вертикальное напряжение в середине i -го слоя на глубине z_i основания от нагрузок и пригрузок (соседние сооружения, обратные засыпки и пр.) по вертикали, проходящей через центр подошвы сооружения, определяемое в соответствии с приложением К;

 - напряжение в середине i -го слоя на глубине z от бытового давления на отметке подошвы сооружения;

g ¢ - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы сооружения;

h_i - толщина i -го слоя грунта, принимаемая не более 0,2 b (здесь b - ширина подошвы сооружения);

E_{p , i} - модуль деформации i -го слоя грунта, определяемый по первичной ветви компрессионной кривой в соответствии с приложением В;

E_{s , i} - модуль деформации i -го слоя грунта, определяемый аналогично по вторичной ветви компрессионной кривой;

п - число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания Н _c;

b _i - коэффициент, определяемый по приложению В.

При среднем давлении под подошвой сооружения Р, больше расчетного сопротивления грунта основания R, определенного по [5], осадку следует определять численными методами, учитывающими упругопластический характер деформирования грунтов, пространственное напряженное состояние, последовательность возведения сооружения. Для приближенных расчетов осадку допускается определять в соответствии с указаниями приложения Л.

11.6.2 Расчетная глубина сжимаемого слоя основания Н_с принимается из условия

s _z,p = 0,5s _z,g,                                                                                                                    (30)

где s _z,p - вертикальные напряжения от внешней нагрузки на нижней границе сжимаемой толщи грунта (суммарные напряжения от сооружения, соседних зданий и сооружений, от боковых пригрузок и т.д., возникающие после начала возведения сооружений);

s _z,g - максимальные вертикальные напряжения в грунте до строительства сооружения.

При расположении указанной нижней границы слоя в грунте с Е < 5 МПа или при залегании такого грунта непосредственно ниже этой границы он включается в сжимаемую толщу. Нижнюю границу сжимаемого слоя в этом грунте следует определять исходя из условия s _z,p = 0,2s _z,g.

При залегании грунтов с модулем деформации Е > 200 МПа в пределах Н_с глубина сжимаемой толщи ограничивается кровлей этого грунта.

Значения напряжений должны определяться с учетом фильтрационных сил и взвешивающего действия воды ниже уровня грунтовых вод.

11.6.3 Нестабилизированная осадка s_t к моменту времени t определяется по формуле

                                                                                                  (31)

где U ₁, U ₂ - соответственно степень первичной и вторичной консолидации грунта;

d _{с rp}, d _{1, crp} - параметры ползучести грунта, которые, как правило, должны определяться по результатам компрессионных испытаний грунта по дренированной схеме;

s - конечная осадка, определяемая в соответствии с 11.6.1.

Степень первичной консолидации U ₁ определяется по решениям одномерной, плоской или пространственной задач консолидации. Для сооружений III и IV классов U ₁ допускается определять согласно приложению М. В случаях когда поровое давление можно не учитывать, следует принимать U ₁ = 1. Необходимость учета порового давления определяется согласно 7.15.

11.6.4 Степень вторичной консолидации U ₂ определяется по решениям одномерной, плоской или пространственной задач с учетом свойств ползучести грунта. Для сооружений III и IV классов допускается определять U ₂ по формуле

                                                                                                                (32)

11.7 Расчет крена сооружений на нескальных основаниях

11.7.1 Определение суммарных кренов i в зависимости от класса и этапа проектирования сооружений, расположенных на нескальных основаниях, должно производиться как упрощенными методами расчета (см. 11.10 и 11.11), так и вычислительными методами. На предварительных стадиях проектирования (для сооружений III и IV классов - на всех стадиях проектирования) для определения значений i (при достаточно однородных или горизонтально-слоистых основаниях) допускается ограничиться использованием упрощенных методов расчета. При существенно неоднородных основаниях определение суммарного крена должно выполняться только вычислительными методами, с учетом влияния пригрузок и соседних фундаментов.

11.7.2 Крен сооружений с прямоугольной подошвой, вызванный внецентренным приложением вертикальной нагрузки в пределах ширины сооружения, в случае однородного и горизонтально-слоистого основания без учета фильтрационных сил допускается определять:

а) в направлении большей стороны подошвы сооружения по формуле

                                                                                                  (33)

б) в направлении меньшей стороны подошвы сооружения по формуле

                                                                                               (34)

где w _l, w _b - углы крена сооружения;

k ₁, k ₂ - безразмерные коэффициенты, определяемые по рисунку 1;

M_l, M_b - моменты, действующие в вертикальной плоскости, параллельной соответственно большей и меньшей сторонам прямоугольной подошвы;

l, b - соответственно длина и ширина подошвы сооружения;

v_m, Е_т - коэффициент поперечной деформации и модуль деформации грунта, определяемые в соответствии с приложением И.

Рисунок 1 - Графики для определения коэффициентов K ₁ и К ₂

11.7.3 Определение крена сооружения от пригрузки основания вне подошвы сооружения следует производить по формуле

                                                                                                         (35)

где S_A, S_B - осадки краев подошвы сооружений А и В (рисунок 2), определяемые по указаниям приложения К при х _1,A = с + b и х _1,B = с;

b - размер подошвы сооружения, вдоль которой происходит крен;

2 с - ширина полосы пригрузки.

Пригрузку допускается аппроксимировать прямоугольной, треугольной или трапецеидальной эпюрой в зависимости от формы засыпаемого котлована.

11.8 Расчет горизонтальных перемещений сооружений на нескальных основаниях и элементов сооружения, воспринимающих горизонтальную нагрузку (например, подпорные стены, здания ГЭС, анкерные устройства), следует производить вычислительными методами, учитывающими развитие областей пластических деформаций, в соответствии с указаниями 11.4.

Для сооружений III и IV классов горизонтальные перемещения допускается определять упрощенными методами по указаниям приложения Н (для конечных горизонтальных перемещений).

Рисунок 2 - Схема к определению крена сооружения от пригрузки

11.9 Для анкерных устройств и других элементов сооружения, от перемещения которых зависят его прочность и устойчивость, расчеты горизонтальных перемещений выполняются при характеристиках грунта и нагрузках, соответствующих предельным состояниям первой группы.

11.10 Нестабилизированные горизонтальные перемещения сооружений и _t к моменту времени t следует определять по формуле

                                                                                                     (36)

где d _{с rp}, d _{1, crp}, U ₂ - то же, что и в формуле (31);

и - конечное (стабилизированное) перемещение сооружения, определяемое по приложению Н.

11.11 Предельные горизонтальные перемещения сооружения и_и не должны быть более 0,75 и _lim, где и _lim - горизонтальное перемещение сооружения, соответствующее достижению предельного равновесия системы «сооружение-основание» по плоскому сдвигу и определяемое по формуле

                                                                                                      (37)

где и _{lim , pl} - предельное перемещение штампа;

А _pl - площадь штампа;

А - площадь фундамента сооружения;

п _i - параметр, определяемый в соответствии с приложением В.

12 Контроль качества подготовки оснований ГТС

Основные положения

12.1 Возведение гидротехнического сооружения разрешается только после подготовки основания (и береговых примыканий), выполненной в соответствии с проектом, и принятия его комиссией по акту.

12.2 Контроль качества подготовки оснований (контроль) в процессе строительства проводится в рамках строительного контроля, осуществляемого с целью соблюдения соответствия технологии и качества выполняемых работ требованиям проекта производства работ.

12.3 Контроль производства и приемка готовых работ проводятся совместно представителями заказчика, проектной и строительной организаций.

12.4 Проектная организация по договору с заказчиком создает группу авторского надзора и организует ее работу. Авторский надзор должен требовать обеспечения соответствия выполненных на объекте работ рабочей документации. Все отступления от проектных решений и указания об их устранении фиксируются в журнале авторского надзора.

12.5 Строительная организация создает службу геотехнического контроля, в задачи которой входят, в частности, наблюдения за технологическим процессом, опробование подготовленного основания и определение характеристик грунтов. Все наблюдения и результаты опробования заносятся в соответствующие журналы геотехконтроля.

12.6 Контроль оформляется как контроль скрытых работ и по его итогам составляется документ (акт) об их приемке и пригодности обследованного основания или его участка к выполнению последующих работ. Необходимыми приложениями к акту приемки являются инженерно-геологическая документации основания и исполнительная схема, на которой указаны фактические отметки поверхности и границы основания (или его участка) в плане.

Контроль качества подготовки оснований, сложенных нескальными грунтами

12.7 Контроль качества оснований, сложенных нескальными грунтами, должен включать:

наблюдение за соблюдением принятой в проекте технологии подготовки основания;

отбор проб и определение характеристик грунтов;

проверку соответствия показателей физико-механических характеристик грунтов основания их проектным значениям.

12.8 Контроль качества грунта основания и проверку его соответствия требованиям проекта надлежит осуществлять геотехнической службе строительства.

12.9 Частота (количество проб на 100 м² основания) и глубина опробования назначается организацией. Для всех отобранных проб связных грунтов обязательными являются определения плотности, влажности и гранулометрического состава, а для несвязных грунтов - дополнительно к указанным характеристикам необходимо определять степень плотности. Для всех проб (либо для ограниченного количества проб) может быть назначено определение и других физических и механических характеристик.

Для каждой точки опробования должна выполняться планово-высотная геодезическая привязка.

12.10 Все наблюдения и результаты лабораторных определений, полученные при геотехническом контроле, должны служить для оценки соответствия качества основания требованиям проекта. Необходимым условием приемки основания является соответствие величин определяемых характеристик контрольным значениям.

12.11 Оценка качества подготовки основания производится путем сравнения фактических отметок его поверхности и показателей свойств грунтов с проектными значениями.

12.12 Приемка основания намывного сооружения (или его участка) должна установить степень соответствия качества основания требованиям проекта:

по выполнению вскрышных работ и соответствию фактических отметок, определяемых геодезической съемкой, проектным;

по физико-механическим характеристикам проб грунта, отобранного из основания (включая грунт, уложенный в месте перебора и заменяющий некачественный грунт).

Отбор проб производится по контрольным поперечникам и створам, принятым для контроля намытого грунта, а также в характерных местах между поперечниками при наличии, например, слабых грунтов.

12.13 При производстве работ в зимний период необходимо вести наблюдения (с фиксацией в журнале наблюдений) за состоянием и температурой грунта основания, температурой воздуха, скоростью ветра, атмосферными осадками и толщиной промороженного слоя грунта.

12.14 При контроле качества оснований ГТС, расположенных в северной строительно-климатической зоне, следует обращать внимание на характер и величину льдистости и заторфованности для несвязных грунтов, а для связных грунтов, кроме того, и на величину засоленности.

Контроль качества подготовки оснований, сложенных скальными грунтами

12.15 При вскрытии котлована в скальных породах следует контролировать состояние пород, в том числе и геофизическими методами, фиксируя наличие в них трещин (с заполнителем и без него), зон дробления, сбросов и сдвигов и т.п.

12.16 Противофильтрационные мероприятия на контакте между суглинистым ядром или экраном плотин и скальным основанием (расчистка и заделка крупных трещин бетоном, применение площадной цементации, набрызг-бетона, устройство специальных локальных преград трещин и др.) должны выполняться согласно рабочему проекту скального основания с учетом детального инженерно-геологического обоснования. Основание под укладку противофильтрационного устройства плотины следует принимать по участкам (по сетке квадратов).

12.17 Контроль качества подготовки скальных оснований бетонных сооружений должен включать проверку состояния поверхности, отсутствия в породе незаделанных трещин, каверн и т.п., зарисовку трещин в скале перед бетонированием.

12.18 При контроле качества скального основания сооружений, расположенных в северной строительно-климатической зоне, следует обращать внимание на степень выветрелости скалы, ширину раскрытия трещин и степень их заполнения мелкозернистыми грунтами, льдом, льдосодержащим материалом (лед в виде цемента, шлиров).

12.19 Контроль и оценка качества подготовки скальных и грунтовых оснований должны выполняться с участием инженера-геолога, входящего в группу авторского надзора.