Фундаменты при сейсмических воздействиях

Проектирование фундаментов при сейсмических воздействиях следует производить в соответствии с требованиями СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*».

Сейсмические воздействия на фундамент обусловлены зем­летрясениями, происходящими в результате тектонических раз­ломов в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях рас­пространяются упругие колебания, характеризуемые сейсмичес­кими волнами (продольными, поперечными и поверхностными). Сейсмические воздействия вызывают колебания зданий и соору­жений, которые приводят к появлению в элементах надземных конструкций сил инерции. На величину последних решающее влияние оказывает интенсивность землетрясения, измеряемая балльностью.

Сейсмические воздействия, как и любые динамического ха­рактера нагрузки на основания, приводят к изменению свойств грунтов: увеличивается сжимаемость, особенно несвязных грун­тов; уменьшается их предельное сопротивление сдвигу, вследствие вызванного вибрацией уменьшения трения между частицами. Импульсные воздействия средней величины могут вызвать допол­нительные осадки и просадки оснований, а импульсы значитель­ной величины – разрушение структуры грунтов, уменьшение их прочности, потерю устойчивости оснований. При определенных условиях может происходить разжижение водонасыщенных пес­чаных оснований, приводящее к полному исчерпыванию их несу­щей способности. Эти изменения строительных свойств грунтов и специфический характер взаимодействия сооружения с основа­нием определяют особенности проектирования фундаментов в условиях сейсмических воздействий.

В России принята 12-балльная шкала оценки силы землетря­сения. Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.

Во многих районах выполнено микросейсмирование (повышение или понижение сейсмичности на 1 балл, которое санкционируется Госстроем).

Сейсмичность площадки в зависимости от категории грунта приведена в табл. 5.1. Сейсмические воздействия при проектировании учитываются при интенсивности сейсмических колебаний 7, 8 и 9 баллов. При интенсивности более 9 баллов строительство возможно только по разрешению вышестоящих органов в соответствии с утвержденными требованиями.

По сейсмическим свойствам грунты разделяются на три категории:

Таблица 5.1

I категория: скальные грунты всех видов (в том числе вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие); невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлажные из магматических пород, содержащие до 30 % песчано-глинистого заполнителя; выветрелые и сильновыветрелые скальные и нескальные твердомерзлые (вечномерзлые) грунты при температуре – 2 ⁰С и ниже при строительстве и эксплуатации по принципу 1 (сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии);

II категория: скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые (в том числе, вечномерзлые, кроме отнесенных к I категории); крупно-обломочные грунты (за исключением отнесенных к I категории); пески гравелистые, крупные и средней крупности, плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем текучести I_L £ 0,5 при коэффициенте пористости с < 0,9 для глин и суглинков, и е < 0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластичномерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше – 2 ⁰С при строительстве и эксплуатации по принципу 1;

III категория: пески рыхлые независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные, средней крупности плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности, влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем текучести I_L > 0,5; глинистые грунты с показателем текучести I_L £ 0,5 при коэффициенте пористости е ³ 0,9 для глин и суглинков и е ³ 0,7 – для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу II (допущение оттаивания грунтов основания).

При неоднородном составе грунты площадки строительства относятся к более неблагоприятной категории грунта по сейсмическим свойствам, если в пределах 10-метровой толщи грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой категории, имеет суммарную толщину более 5 м.

Расчет фундаментных конструкций и их оснований выполняют на основное и особое сочетание нагрузок, причем в последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка. Расчетную сейсми­ческую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.

При динамическом расчете учитывают массу отдельных элемен­тов здания, сейсмичность района, формы собственных колебаний, особенности колебаний сооружения, тип грунтовых условий, конст­руктивное решение сооружения и характер допускаемых поврежде­ний и дефектов. После получения сейсмических нагрузок на основа­нии принципа Даламбера проводят статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и ста­тической нагрузки.

Дополнительные горизонтальные нормальные и касательные на­пряжения, возникающие в основании при прохождении сейсмичес­ких волн, определяют по формулам:

; , (5.10)

где k_с – коэффициент сейсмичности (при 7 баллах k_с = 0,025; при 8 баллах – 0,05 и при 9 баллах – 0,1); γ – удельный вес грунта; С_p и С_s – соответственно скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн; Т₀ = 0,5 – период скорости сейс­мических колебаний, с.

Сейсмические инерционные нагрузки, действующие на фунда­мент во время землетрясения, определяют по формуле

(5.11)

где G_k – вес элемента сооружения, отнесенный к точке к; γ_n – ко­эффициент, зависящий от класса сооружения (принимается в преде­лах 1–1,5); – коэффициент динамичности; – коэффициент, учитывающий форму колебаний.

При проектировании и строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов в грунтах I и II категорий назнача­ют как для несейсмических районов, но не менее 1 м; грунты III категории требуют предварительного искусственного улучшения.

Фундаменты зданий и их отдельных отсеков рекомендуется за­кладывать на одном уровне во избежание изменения частоты со­бственных колебаний. В зданиях повышенной этажности следует увеличивать глубину заложения с помощью устройства дополни­тельных подземных этажей.

При прохождении сейсмических волн поверхность грунта может испытывать растяжение и сжатие в различных направлениях, что может вызвать подвижку фундаментов относительно друг друга, поэтому для исключения подвижки и устойчивости фундаментов рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или не­прерывные фундаменты из перекрестных лент (рис. 5.3, а), устра­иваемых в сборном или монолитном варианте. Для усиления сбор­ных фундаментов по верху подушки укладывают арматурные сетки и устраивают перевязку блоков в углах и пересечениях, а при сейсмичности 9 баллов армируют все сопряжения стен подвалов. Фундаменты каркасных зданий допускается устанавливать на от­дельные фундаменты, которые соединяются друг с другом железо­бетонными вставками (рис. 5.3, б).

Рис. 5.3. Схемы фундаментов в сейсмических районах

Для предотвращения подвижки здания по обрезу фундамента гид­роизоляцию стен необходимо выполнять в виде цементного слоя. Применение гидроизоляции на битумной основе не разрешается.

При использовании свайных фундаментов необходима жесткая заделка свай в непрерывный ростверк для восприятия горизон­тальных усилий, возникающих при землетрясениях, при этом следу­ет стремиться опирать нижние концы свай на плотные грунты. Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий рабо­ты, при расчете несущей способности основания по боковой поверх­ности и под острием сваи.

Самыми неблагоприятными основаниями являются водонасыщенные пески, способные разжижаться в условиях сейсмических воздействий и приводить к провальным осадкам зданий, поэтому их следует использовать в качестве оснований только после предвари­тельного уплотнения вибрированием, песчаными сваями или каким-либо другим способом.

Проектирование и устройство фундаментов с учетом сейсмичес­ких воздействий гарантируют сохранность сооружения при условии, если и надземная часть здания возведена с учетом данных воздейст­вий.