Принципы проектирования оснований и фундаментов под противотаранные устройства

Онованием сооружения является грунт, несущий все нагрузки от сооружения, как в строительный, так и в эксплуатационный период времени.
Основания могут быть естественными, если грунты обладают достаточной прочностью, устойчивостью, не дают недопустимых деформаций и не требуют специальных мероприятий для их укрепления, и искусственными, если грунты слабые и необходимо принять меры по их укреплению.
Сооружение оказывает влияние на основание в пределах некоторой области – сжимаемой толщи, размеры которой зависят от площади подошвы фундамента, величины нагрузки и ряда других факторов.
Фундаментом называется конструктивная часть сооружения, которая располагается обычно ниже планировочной отметки земли и передает нагрузки от сооружения на основание. Фундамент должен рассматриваться в сочетании с основанием и с вышележащими конструкциями сооружения.
В соответствии с СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01–83» проектирование оснований и фундаментов состоит из обоснованного соответствующим расчетом выбора типа основания – естественное или искусственное и конструкции фундамента его материалов и размеров.
Основания рассчитываются по двум группам предельных состояний: первая – по несущей способности, вторая – по деформациям.
Проектирование оснований осуществляется по следующим основным принципам: Проектирование оснований по предельным состояниям независимо от типа фундамента противотаранного устройства.

♦Учет совместной работы «системы» – основание, фундамент и противотаранное устройство.
♦Комплексный подход при выборе типа фундамента и оценке работы грунтов основания на основе совместного рассмотрения:

· инженерно–геологических условий территорий строительной площадки;

· чувствительности основных силовых элементов противотаранного устройства к неравномерным деформациям основания;

· методов производства строительно–монтажных работ по устройству оснований фундаментов;

· особенностей эксплуатации противотаранного устройства.

Перечисленные факторы свидетельствуют о сложности выполнения задачи по проектированию оснований и фундаментов под противотаранные устройства. Поэтому зачастую невозможно определить рациональные типы оснований и фундаментов, не рассмотрев предварительно несколько возможных вариантов. Окончательное решение следует принимать на основе технико-экономического сравнения рассматриваемых вариантов оснований и фундаментов. При этом необходимо учитывать стоимость конструкции фундамента, ее долговечность, индустриальность изготовления, трудоемкость, возможность выполнения строительно–монтажных работ в зимнее время. Особое внимание обращается на сохранение естественной структуры грунтов основания во время производства земляных работ.

Поэтому перед проектировщиками стоит сложная задача выбора надежного и экономичного типа фундамента, который должен удовлетворять следующим требованиям:

· Прочности, долговечности и не разрушаться от действия грунтовых вод.

· Устойчивости по отношению к опрокидывающим силам, сдвигу и скольжению.

· Не превышать величин осадок, указанных в нормативной литературе.

· Иметь наиболее экономичные конструктивные формы для конкретного типа противотаранного устройства и основания.

Выполнение указанных требований возможно при правильном вариантном проектировании с учетом всех местных геологических и гидрогеологических условий площадки строительства.

В процессе проектирования фундаментов выделяется несколько этапов:

1. Выбор материала и обоснование конструктивных форм фундамента.
2. Расчет глубины заложения фундамента и всех его конструктивных элементов.
3. Подбор размеров подошвы фундамента, определение фактического напряжения по подошве и нормативного давления на грунт.
4. Определение осадки фундамента.
5. Расчет устойчивости фундамента на опрокидывание и сдвиг.
6. Конструктивный расчет фундамента.
7. Выбор рационального способа устройства фундамента.

По конструктивной форме можно выделить несколько типов фундаментов под противотаранные устройства:

1. Столбчатый, выполненный в виде отдельных монолитных железобетонных столбов под
каждую из силовых опор противотаранного устройства.
2. Плитный, располагающийся под всем противотаранным устройством в виде сплошной монолитной железобетонной плиты.
3. Смешанный – сочетание столбчатого фундамента с основанием в виде плиты, соединяющей между собой столбы.
4. Свайный, состоящий из свай и ростверка.

Каждому из перечисленных типов фундаментов свойственны свои преимущества и недостатки. Баланс между «плюсами» и «минусами» конкретно проектируемого фундамента достаточно не устойчив и достоверно может оцениваться только специальными расчетами, охватывающими такие понятия, как жесткость и предельно допустимые деформации конструкции противотаранного устройства, динамика пучинистых явлений и механические характеристики грунта.

Фундамент – это неповторимая область строительства, в которой каждый раз при возведении нового объекта возникает иная инженерно–геологическая ситуация, не похожая на предыдущую.

Одним из главных конструктивных параметров фундамента является глубина его заложения.
Глубина заложения подошвы фундамента назначается с учетом обеспечения прочности, устойчивости и долговечности противотаранного устройства, а также экономичности принятого варианта фундамента.

Глубина заложения подошвы фундаментов зависит от:

1. Геологических и гидрогеологических условий площадки строительства.
2. Климатических условий района строительства.
3. Конструктивных особенностей противотаранного устройства.
4. Величины нагрузок, приложенных к основанию и направления их действия.
5. Способа производства строительных работ, связанных с возведением фундаментов.

Глубина заложения подошвы фундамента в значительной степени зависит от геологических и гидрогеологических условий площадки, то есть характера напластования грунтов и их физико–механических свойств, положения уровня грунтовых вод и степени их агрессивности.
При залегании с поверхности земли на значительную глубину грунтов с высокими значениями прочностных и деформационных характеристик глубина заложения подошвы фундамента может быть принята минимальной и в некоторых случаях может достигать 0,5 м от спланированной поверхности грунта.
Если слабый слой грунта, залегающий с поверхности, подстилается более прочными грунтами, то глубина заложения подошвы фундамента будет зависеть от мощности слабого слоя грунта.
Необходимость учета положения уровня грунтовых вод и изменение его уровня в период эксплуатации сооружения связана с возможным пучением грунтов при промерзании, а также
увеличением стоимости работ по возведению фундаментов с осушением котлованов. Поэтому
необходимо по возможности глубину заложения подошвы фундаментов принимать выше уровня грунтовых вод.
Для фундаментов под металлические силовые опоры противотаранных устройств, воспринимающих большие нагрузки, глубина заложения подошвы фундаментов должна быть увязана с длиной анкерных болтов.

Рис. 1. Общий вид противотаранного устройства установленного на металлический свайный фундамент:
1 – опора; 2 – стрела; 3 – подъемный механизм; 4 – уровень поверхности земли; 5 – металлический свайный фундамент.

При действии нагрузки в горизонтальном направлении глубина заложения подошвы фундаментов должна обеспечить устойчивость фундамента на сдвиг и выдергивание.
Выбрав глубину заложения фундамента, необходимо определить величину нормативного давления на грунт несущего слоя на уровне подошвы фундамента.
Нормативное давление – это механическое напряжение, которое допускается в грунте основания при условии сохранения устойчивости и эксплуатационной пригодности противотаранного устройства установленного на фундамент.
Размеры фундамента в плане, такие как ширина, длина или площадь определяются по нагрузкам, действующим на фундамент, и нормативному давлению на грунт несущего слоя. Следует отметить, что для фундаментов под противотаранное устройства необходимо учитывать две комбинации нагрузок. Первая комбинация от действия эксплуатационных нагрузок, вторая от нагрузок, возникающих вследствие таранного удара авто-транспортным средством.
Определение осадки фундамента является конечным этапом расчета естественного основания. Оно имеет целью ограничение деформаций противотаранного устройства, установленного на фундамент, происходящих в результате осадок грунтов, такими пределами, которые не нарушали бы безотказную работу изделия в целом. Это условие будет выполнено, если максимальная расчетная величина деформаций основания не будет превосходить предельной величины деформаций, установленной строительными нормами и правилами. В связи с тем, что противотаранное устройство представляет собой две независимые конструктивные части, то кроме вертикальных осадок отдельных фундаментов под каждую из силовых опор противотаранного устройства, необходимо определять разность осадок, а также крен фундаментов.

По поводу конструктивного расчета фундамента, а именно его армирования, следует отметить, что это не свалка металла, как это часто бывает, а обоснованный выбор сечений арматуры и организованное с учетом конструктивных требований нормативных документов ее распределение по объему бетонного массива.

Проектирование свайных фундаментов должно выполняться в соответствии с нормами СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03–85». Выбор длины свай и типа свайного фундамента зависит от конкретных условий строительной площадки, конструктивных особенностей зданий и сооружений, производственной базы строителей и должен проводиться на основании технико–экономического сравнения различных вариантов с определением оптимального по различным критериям оптимизации, таким как расход материалов, трудозатраты, приведенные расходы. Длина свай должна быть принята также с учетом её заделки в тело ростверка и несущий слой грунта.
Наряду с распространенными и рассмотренными выше типами фундаментов для установки противотаранных устройств, такими как свайные и фундаменты на естественном основании, имеются фундаменты с конструктивными особенностями, которые необходимо учитывать в расчетах по предельным состояниям. Таким фундаментов является разработанный и запатентованный металлический свайный фундамент ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ» под противотаранное устройство облегченного типа ПТУ–Л ПРЕПОНА T1145.
На рисунке 1 показан общий вид ПТУ, установленного на предлагаемый металлический свайный фундамент.
Сущность металлического свайного фундамента поясняется рисунком 2, где показан фрагмент конструкции. Конструкция, включает сваи и ростверк.
Сваи 9 и 10 представляют собой вертикально расположенные стальные трубы, погруженные в грунт до проектной отметки одним из известных способов. При устройстве фундамента проводится оценка инженерно–геологических условий площадки строительства. Определяется слой грунта, в который наиболее рационально заглубить острие свай 9 и 10, тем самым назначается их длина. Сваи, входящие в состав фундамента условно делятся на две группы.
Одна группа свай 9, назовем их «не связанные», в оголовке имеют опорные столики 8. Другая группа свай 10 жестко связана попарно посредством стальных горизонтально расположенных балок 6 и 7, эти сваи назовем «связанные».
Ростверк выполнен в виде системы Г–образных стальных балок 2 и 3. Система балок состоит из одной главной 2 и двух примыкающих к ней перпендикулярно второстепенных балок 3. Второстепенные балки 3 гарантируют общую устойчивость главной балки 2 из плоскости действия динамической нагрузки. Главная балка 2 и одна второстепенная балка 3 состоят из двух конструктивных элементов соединенных между собой на фланцах 4, обеспечивающих жесткое сопряжение узлов конструкции. Другая второстепенная балка 3 представляет собой один конструктивный элемент, имеющий жесткое сопряжение с главной балкой 2.
По двум сторонам система Г–образных стальных балок опирается упорами 1, выполненными из стальных труб, на опорные столики 8 «не связанных» свай 9 без жесткой фиксации, образуя шарнирное соединение. По двум другим – главной балкой 2 и одной второстепенной 3 на нижние объединяющие балки 7 «связанных» свай 10.
Эти узлы являются скользящей заделкой.
Принцип работы данного фундамента основан на преобразовании полученной им энергии от ударной нагрузки в деформацию грунта основания.

Рисунок 2 – Фрагмент конструкции металлического свайного фундамента:
1 – упор;
2 – главная балка;
3 – второстепенная балка;
4 – фланцевое соединение;
5 – опора барьера;
6 – верхняя объединяющая балка;
7 – нижняя объединяющая балка;
8 – опорный столик;
9 – сваи «не связанные»;
10 – сваи «связанные»

Во время таранного удара главная балка 2 и второстепенные балки 3 раскладывают изгибающие моменты, передающиеся от опоры барьера 5, на две пары сил. Одни силы посредством упоров 1 на конце главной балки 2 и второстепенной балки 3, состоящей из двух конструктивных элементов, через опорные столики 8 вдавливают «не связанные» сваи 9. Эти сваи работают на сжатие.
Другие силы свободным концом главной балки 2 и второстепенной балки 3, состоящей из одного конструктивного элемента, посредством верхних объединяющих балок 6 стараются вырвать
из грунта «связанные» сваи 10. Эти сваи работают на растяжение.
Во время таранного удара кроме изгибающих моментов возникают поперечные силы, которые посредством упоров 1 на конце главной балки 2 и второстепенной балки 3, состоящей из двух конструктивных элементов через опорные столики 8 изгибают «не связанные» сваи 9. В это время свободные концы главной балки 2 и второстепенной балки 3, состоящей из одного конструктивного элемента, проскальзывают между объединяющими балками 6 и 7 «связанных» свай 10.

Рисунок 3 – Монтаж ПТУ на металлический свайный фундамент: а – общий вид; б – фрагмент

Рисунок 4 – Общий вид до испытания: а – объект испытания; б – автомобиль ГАЗ–33023

Упоры 1 на концах второстепенной 3 и главной балки 2, а также сваи 9 и 10 являются «зонами программируемой деформации», так как во время таранного удара грунт, контактирующий с указанными элементами, перемещается первым, за счет, преобразования полученной им энергии от динамической нагрузки в деформацию. Этим обеспечивается упругая податливость опор противотаранного устройства установленного на металлический свайный фундамент и достигается технический результат, направленный на снижение усилий возникающих в элементах барьера и как следствие снижение материалоемкости и себестоимости изделия.
Проведено натурное испытание предлагаемой металлоконструкции с установленным на нее ПТУ на территории испытательного центра,с целью подтверждения заявленных технических характеристик на изделия.

Рисунок 5 – Общий вид после испытания

Так как фундамент состоит из двух независимых конструкционных частей, строительно–монтажные работы можно вести с минимальным вскрытием дорожного полотна и без остановки движения автотранспортных средств через перекрываемый проезд. Установленное на металлоконструкцию противотаранное устройство, готово к работе сразу же после завершения монтажа.
Кроме того, применение металлического свайного фундамента позволяет полностью отказаться от бетонирования, – отпадает необходимость в доставке бетона на объект, установке опалубки, заливке. При этом экономится время, уходившее на ожидание набора прочности бетона, так как только спустя 7 дней после заливки достигаются 70% прочности выбранной марки бетона. Однако изделие следует начинать эксплуатировать лишь при достижении 100% – не ранее, чем через 28 дней после заливки. Отсутствие бетонных работ значительно упрощает рабочий процесс и расширяет возможности монтажа в зимний период и межсезонье.
Необходимо отметить ещё одно преимущество металлического свайного фундамента перед железобетонным – возможность оперативно заменять элементы конструкции после запроектного удара.

На рисунке 3 показан монтаж противотаранного устройства на рассматриваемую металлоконструкцию.
Требование, предъявляемое к объектам испытаний, заключалось в создании непреодолимого
препятствия для автотранспорта массой до 3,5 т и скоростью движения до 40 км/ч при попытке несанкционированного въезда на охраняемую территорию объекта.
Испытание осуществлялось путем таранного удара по ПТУ, установленного на металлический
свайный фундамент автомобилем ГАЗ–33023, массой 3,5 т, движущегося по поверхности дорожного покрытия со скоростью 40 км/ч. Общий вид испытуемых изделий показан на рисунке 4.
Для разгона автотранспортного средства (АТС) использовалась горизонтальная дорога с твердым (цементобетонным) покрытием шириной 6 м. Движение АТС в заданном направлении обеспечивалось прямолинейным монорельсом.
Разгон осуществлялся автомобилем – тягачом посредством тягового троса, системы подвижных и неподвижных направляющих блоков и ползуна, перемещающегося по монорельсу.
Отделение АТС от ползуна осуществлялось автоматически на расстоянии 8 м от места возникновения контакта с ПТУ. Дальнейшее движение АТС происходило по инерции.
Скорость таранного удара автомобиля по ПТУ определялась посредством электронного прибора «время – путь» на расстоянии 8 м до места возникновения контакта с ПТУ.
Результаты испытания представлены на рисунке 5.
Рассмотренная металлоконструкция кроме снижения материалоемкости обладает рядом преимуществ относительно традиционных монолитных железобетонных фундаментов на естественном основании.
При монтаже в несколько раз уменьшается объем земляных работ, что приводит к значительному снижению трудоемкости и стоимости строительства.