Развитие и особенности современного фундаментостроения

С давних времен известно, что долговечность и незыблемость соору­жений находятся в прямой зависимости от прочности их основания. Если первобытные сооружения строили непосредственно на поверх­ности земли, то по мере развития материальной культуры была осознана необходимость в устройстве фундаментов, заложенных ниже поверхности земли на плотных грунтах. Об этом свидетельст­вуют постройки Индии и Египта, осуществленные за несколько тысячелетий до нашей эры, в которых применены свайные фунда­менты и опускные колодцы. При сооружении мостов устройство фундаментов было затруднено глубокой водой. Этим объясняется, что долгое время для пересечения рек применяли паромные пере­правы, наплавные мосты и мосты на плотах. При возведении же постоянных мостов фундаменты опор строили или на естественном «сновании, когда удавалось оградить место работы от воды, или на каменных набросках, устраиваемых непосредственно на дне реки.

В конце XVII в. после изобретения землечерпательной машины стали удалять верхние илистые грунты и возводить фундаменты из каменной кладки под защитой водонепроницаемых деревянных ящиков.

Небольшое заглубление фундаментов в дно реки часто приво­дило к значительным осадкам и даже к обрушению пролетных строений (каменных сводов). Фундаменты имели исключительно большие размеры и создавали на реках полуплотины, затрудняв­шие судоходство, а стеснение русел рек приводило к подмыву «опор и разрушению мостов. В дальнейшем для укрепления основа­ний перешли к применению деревянных свай. Сваи длиной 6—8 м погружали в грунт, забивая вручную, а для защиты от воды место работы ограждали земляными перемычками или временно отводи­ли русло реки в сторону.

Во Франции при постройке моста Сомюр через р. Луару (1756— 1779 гг.) впервые на сваи, срезанные под водой, были опущены юодонепроницаемые ящики с брусчатым дном, в которых произво­дили кладку фундаментов. На каждой опоре пространство между «сваями ниже дна ящика предварительно заполняли камнем, что придавало фундаментам общую жесткость. Этот способ возведения «пор в русле рек долгое время пользовался большой популярно­стью и широко применялся на многих мостах Европы, в том числе и в России.

В 1841 г. французский инж. Триже применил кессонный способ проходки водонасыщенных грунтов под сжатым воздухом. Несмот­ря на примитивную конструкцию аппарата, метод Триже быстро завоевал общее признание строителей. В 1859 г. инж. Денис на по­стройке Кильского моста через р. Рейн (Германия) усовершенство­вал способ Триже, придав ему современный вид. Наибольшее при­менение кессонные фундаменты нашли в мостостроении. Возмож-

ность разработки любых грунтов в осушенном пространстве, преодоления любых препятствий и заложение фундаментов на глубине 30—35 м от уровня воды на плотных материковых породах обеспечили успешную постройку большого числа мостов.

В России кессоны начали применять с 1856 г. Долгое время» вплоть до 1941 г., этот вид фундаментов был основным при построй­ке мостов в сложных гидрогеологических условиях.

Русские инженеры внесли большой вклад в развитие кессонных работ. Деревянные кессоны, улучшенные инж. Е. К. Кнорре (1890 г.), во многом превосходили аналогичные кессоны, приме» нявшиеся за рубежом. Железобетонные кессоны, нашедшие впо-следствии повсеместное применение, впервые были созданы инж, А. Н. Лентовским в 1899 г. Начиная с 1927 г. в отечественную практику прочно вошли экономичные деревобетонные кессоны, в которых вместо стальной арматуры использовались деревянные рейки и брусья. При постройке мостов в Москве через р. Москву по инициативе инж. Е. В. Платонова была освоена гидромеханиза­ция кессонных работ, обеспечившая высокую производительность труда. В дальнейшем, при постройке опор мостов через р. Днепр в Киеве инженеры Г. И. Зингоренко и Н. А. Силин усовершенство­вали этот метод.

Кроме кессонов (но значительно реже), для возведения фунда­ментов применялись опускные колодцы.

Применение опускных колодцев стало возможным после того, как были найдены способы подводной разработки грунтов. При постройке в США Сент-Луисского арочного моста через Миссисипи (1887 г.) инж. Идсом была успешно осуществлена разработка грунта под водой. С этих пор к опускным колодцам часто стали прибегать американские мостостроители, чему способствовали глав­ным образом местные гидрогеологические условия: глубокая вода и большая толща мягких, легко размываемых грунтов. В Америке была достигнута наибольшая глубина погружения колодцев—■ 73 м от уровня воды (мост через бухту в Сан-Франциско).

Опускные колодцы делались массивными, с толстыми стенами, чтобы их вес был достаточен для преодоления сил трения между грунтом и боковой поверхностью. Погружение происходило мед­ленно, по нескольку десятков сантиметров в сутки (15—55 см), и нередко сопровождалось непредвиденными осложнениями и ава­риями.

В отечественном мостостроении массивные опускные колодцы применялись редко.

Использование свай как элементов построек относится к глубо­кой древности. Из материалов археологических раскопок известно, что еще в каменном веке на сваях устраивались озерные поселения. Сваи часто применялись в деревянных мостах, сооружаемых в во­енных целях. В VII в. до н. э. в Риме был построен деревянный мост на сваях через р. Тибр. Начиная с середины XVIII в. сваи часто использовались в конструкциях фундаментов при постройке каменных мостов в Европе.

Примитивная техника того времени, располагавшая простейши­ми механизмами (блок, полиспаст, рычаг), позволяла забивать де­ревянные сваи только небольшой длины. Широкие возможности открылись после изобретения паровой машины и использования энергии пара в сваебойных снарядах. Впервые паровой молот, изо­бретенный в 1845 г. английским инж. Несмитом, был применен на строительстве мостов в Англии. В дальнейшем конструкция паро­вых молотов усовершенствовалась, их мощность повышалась. В конце XIX в. в Америке были созданы молоты двойного действия, в которых энергия пара использовалась наиболее эффективно.

Развитие сваебойного оборудования, естественно, отразилось и на размерах свай, и на их конструкции. Так, деревянные сваи моста через р. Луару в Нанте (Франция, 1856 г.) имели длину 30 м, а сваи моста через р. Колумбия (США) —до 40 м при диаметре 50 см. Затем деревянные сваи стали заменять более мощными и совершен­ными железобетонными сваями, предложенными Ф. Геннебиком

в 1897 г.

В Америке широко применяли раньше и применяют в настоящее время стальные сваи из проката и круглых труб, заполняемых после

погружения бетоном.

Английским инж. Митчелем в 1836 г. были предложены винто­вые сваи, снабженные на концах металлическими винтовыми нако­нечниками для погружения в грунт. Винтовые сваи не получили большого распространения; применение их ограничилось сравни­тельно небольшим числом мостовых и портовых сооружений. В России на винтовых сваях были построены в 90-х годах прош­лого столетия мосты на дороге Поти — Самтредиа и в начале XX в. несколько мостов в Сибири. Значительные усовершенствования винтовых свай как в конструкции, так и в технологии их погру­жения были сделаны советскими специалистами в период 1944—1955 гг. (канд. техн. наук Г. С. Шпиро, инж. И. И. Цюру­па и др.).

Кроме забивных свай, погружаемых в грунт энергией удара, большое распространение получили набивные сваи, изобретенные в 1899 г. русским инж. А. Э. Страусом. Эти сваи изготовляют путем укладки бетона в заранее пробуренные скважины. Набивные сваи усовершенствованных конструкций получили большое применение в зарубежном строительстве. В СССР к этому типу относятся бу­ровые сваи с уширенным нижним концом, предложенные проф. Е. Л. Хлебниковым (1950 г.).

Свайные фундаменты долгое время строили с плитой, заглублен­ной в грунт. В 1913 г. известным ученым инж. Н. М. Герсевановым были впервые в России построены свайные фундаменты с плитой вне грунта; он же разработал метод их расчета. В настоящее время фундаменты с плитой вне грунта часто применяют в мостах, заме­няя ими трудоемкие и дорогие кессонные фундаменты и фундамен­ты из массивных опускных колодцев.

В основе современного строительства лежит максимальная ин­дустриализация строительного процесса с перенесением большей

доли работ в условия заводского изготовления отдельных конструк­ций и деталей и с последующей сборкой их на строительной пло­щадке. Это принципиально новая организация работы позволяет повышать производительность труда, сокращать сроки и снижать стоимость строительства.

В области мостостроения в этом направлении была проведена большая работа по широкому внедрению сборного железобетона. Конструкции из сборного железобетона в короткий срок были ос­воены для пролетных строений малых и средних мостов. В послед­ние годы сборные конструкции с успехом применяют в мостах больших пролетов.

Применять сборные конструкции в фундаментах опор мостов оказалось труднее. Это объясняется особенностями возведения фундаментов.

Наиболее удобными для индустриальных методов строительства оказались свайные фундаменты, в которых основным элементом конструкции являются небольшие по объему сваи. Однако для за­мены ими глубоких фундаментов на кессонах и опускных колодцах было необходимо создавать сваи большой несущей способности. Большая грузоподъемность достигалась в сваях из стальных труб, заполняемых после погружения бетоном, и в сваях, снабженных в нижних частях винтовыми лопастями (диаметром до 3 м), или уши­ренным нижним концом, образованным подрыванием взрывчатых веществ (предложение д-ра техн. наук А. А. Луги), или же разбу-риванием грунта (сваи проф. Е. Л. Хлебникова). Смелый переход к фундаментам из свай большой несущей способности позволил во многих случаях отказаться от массивных фундаментов из опускных колодцев и на кессонах.

Дальнейшая индустриализация в области конструкций фунда­ментов была направлена на создание сборных железобетонных свай. Советскими учеными и инженерами (д-р техн. наук проф. К. С. Силин, кандидаты техн. наук Н. М. Глотов, В. И. Карпинский, Г. П. Соловьев и др.) были найдены удачные конструктивные ре­шения сборных пустотелых свай-оболочек, собираемых из отдель­ных звеньев заводского изготовления. Вслед за сваями по тому же принципу были изготовлены и погружены в грунт тонкостенные оболочки диаметром до 5 м.

Внедрению сборных железобетонных свай и оболочек способст­вовало новое сваебойное оборудование. Проф. Д. Д. Баркан в 1938 г. разработал вибрационный метод погружения свай с помощью так называемых вибропогружателей, конструкция которых в послево­енные годы была усовершенствована и приспособлена для погру­жения длинных и тяжелых свай и оболочек.

Всеми этими мерами удалось в основном решить задачу по внедрению сборных фундаментов в мостостроении. Дальнейшие ра­боты направлены на унификацию конструкций заводского изготов­ления, имеющую цель создание небольшого числа элементов, из которых можно было бы возводить не только фундаменты, но и надфундаментную часть опор. Единое конструктивное решение

опоры вместе с фундаментом — первоочередная задача современ­ного мостостроения.

По мере развития конструкций и способов возведения фунда­ментов развивались и методы их расчетов, а также изучались свой­ства грунтов как оснований сооружений.

Исследования в области механики грунтов, начатые в 1889.г. проф. В. И. Курдюмовым и затем предложенные и развитые боль­шой группой советских и зарубежных ученых, позволили устано­вить чрезвычайно важные практические критерии прочности (устой­чивости) грунтовых оснований.

В настоящее время прочность (устойчивость) грунтов оценива­ются по тем деформациям, которые могут быть допущены для про­ектируемого сооружения. Учет совместной работы основания и рас­положенного на нем сооружения служит той принципиальной осо­бенностью, которая характеризует современное состояние теории

расчета фундаментов.

Глубокое изучение работы сооружений позволило выработать' новый метод их расчета по предельным состояниям. Этот метод¹ дает возможность более разумно назначать запасы прочно­сти и несущей способности конструкций и их оснований.

Конструкция фундаментов и способы их постройки в первую очередь зависят от естественного залегания и формирования гор­ных пород. Геологические исследования места постройки — важ­нейшей этап в общем комплексе проектирования сооружений. В области инженерной геологии в последнее время достигнуты большие успехи, позволяющие с достаточной точностью определять состояние и прочность грунтов в их естественном залегании.

1.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ФУНДАМЕНТОВ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

В СССР и ряде других стран сооружения рассчитывают по прог­рессивной методике предельных состояний, впервые предложенной и внедренной отечественными учеными (Н. С. Стрелецкий, А. А. Гвоздев и др.)- Расчет по предельным состояниям позволяет наиболее полно учесть условия эксплуатации сооружений различ­ного назначения, обеспечить разумный запас их несущей способно­сти в течение всего срока службы и получить наиболее экономич­ные конструктивные решения.

Предельными называются такие состояния, при которых нор­мальная эксплуатация сооружений становится невозможной или вызывает значительные затруднения.

Предельные состояния разделяются на две группы, причем пер-

¹ Расчеты искусственных сооружений, в том числе фундаментов и оснований, по методу предельных состояний изложены в «Технических условиях проектиро­вания железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб» (СН 200-62), утвержденных в 1962 г., а также в других нормативных документах.

вая группа применительно к мостам и трубам, в свою очередь, под­разделена на подгруппу 1А и подгруппу 1Б. К подгруппе 1А отно­сятся состояния, нарушающие возможность эксплуатации сооруже­ния вследствие исчерпания его несущей способности. К подгруппе 1Б относятся состояния, при которых несущая способность хотя и сохраняется, но эксплуатация сооружения становится невозмож­ной. К группе II относятся состояния, затрудняющие (ограничива­ющие) нормальную эксплуатацию сооружения.

Наиболее опасны нарушения предельных состояний группы 1А, ведущие к полному или частичному разрушению сооружения. На­рушения предельных состояний группы II отражаются только на условиях эксплуатации, вынуждая, например, ограничивать весо­вые характеристики и скорость движения автомобилей по мосту и т. д. По своим последствиям нарушение предельных состояний группы 1Б занимает промежуточные положения, заставляя, напри­мер, запрещать движение по мосту.

Конструкции фундаментов, как и любые строительные конструк­ции, должны быть рассчитаны на все группы предельных состоя­ний, а основания проверены по предельным состояниям подгруппы 1А и группы II.

Предельные состояния группы 1А проявляются в виде значи­тельных просадок' фундамента, вызванных потерей устойчивости грунтов основания, а также в виде потери устойчивости положения фундамента с возведенным на нем сооружением в результате опро­кидывания, плоского или глубинного сдвига, оползневых явлений и т. д. Нарушения предельного состояния этой подгруппы катастро­фичны, они, как правило, приводят к разрушению сооружения или к полной его непригодности.

Примером² достижения предельного состояния, вызванного глубинным сдвигом, служит потеря устойчивости устоя автодорож­ного моста. Под подошвой плиты фундамента залегали тугоплас-тичные глины, подстилаемые текучепластичным рыхлым илом и плотными среднезернистыми песками. В пески были погружены железобетонные сваи. После отсыпки подходной насыпи на высоту 8 м произошел глубинный сдвиг грунта по поверхности, близкой к цилиндрической. В результате сваи были разрушены, плита фунда­мента получила значительные перемещения и растрескалась. Для ликвидации аварии и предупреждения ее в дальнейшем устой моста пришлось расположить на новом месте и усилить конструкцию фундамента.

Другим примером достижения предельного состояния может служить построенный в 1928 г. в Казани через р. Казанку автодо­рожный арочный железобетонный мост пролетом 71, 9 м с устоями

¹ Просадками называют вертикальные деформации, происходящие, как пра­
вило, в результате коренного изменения структуры грунта, осадками — деформа­
ции в результате уплотнения грунта без коренного изменения его структуры.

² Пример подробнее — см. Свайные фундаменты/Авт.: Н. М. Глотов,
А. А. Луга, К. С. Силин, К. С. Завриев. М., Транспорт, 1975, 431 с.

на свайных фундаментах. Высота подходной насыпи с правого бе­рега составляла 18 м, с левого —10 м. Деревянные сваи в количе­стве 410 в каждом устое были погружены на глубину до 9 м в мяг-копластичные глины, под которыми впоследствии контрольным бурением были обнаружены чередующиеся пласты сильно сжимае­мого торфа, илистых глин и песков. От веса устоев, пролетного строения и подходных насыпей, отсыпанных после возведения моста, под подошвой фундаментов (в уровне нижних концов свай) возник­ли давления, значительно превышающие несущую способность грунтов. Так, под правобережным устоем со стороны берега давле­ния составили около 11 кгс/см², тогда как несущая способность мягкопластических глин и нижележащих грунтов не превышала

1 кгс/см².

В результате значительных давлений и большой сжимаемости торфяных слоев правобережный устой просел на 2058 мм, левобе­режный на 344 мм, а просадка замка арок достигла 1916 мм. Мост оказался в аварийном состоянии, создалась реальная угроза обру­шения пролетного строения.

Следует заметить, что причиной многих аварийных ситуаций является недостаточная изученность грунтовых напластований до постройки сооружений, как это наблюдалось и в приведенных при­мерах.

Радикальная мера предупреждения таких аварий — это прежде всего всесторонние и качественные инженерно-геологические изыс­кания до начала строительных работ.

Нарушение предельного состояния группы II выражается в осад­ках фундаментов, величина которых значительно меньше просадок. Осадки обычно вызывают лишь затруднения в эксплуатации со­оружения.

Грунтовые основания неизбежно деформируются под давлением фундаментов. Часто деформации неравномерны, и тогда возникают наклоны (крены) сооружений, трещины в стенах зданий и другие дефекты. В мостах равномерные осадки всех опор нарушают сопря­жения с подходными насыпями. На состоянии пролетных строений такие деформации опор, очевидно, не отражаются. Более вредны неравномерные осадки опор, особенно для внешне статически неоп­ределимых систем, в которых возникают при этом дополнительные усилия (изгибающие моменты).

Величина этих усилий может превысить несущую способность конструкций пролетных строений. В статически определимых про­летных строениях неравномерные осадки опор приводят к искаже­нию продольного профиля проезжей части, что затрудняет эксплу­атацию моста: вынуждает снижать скорость движения автомобилей,

ухудшает водоотвод и пр.

Крены мостовых опор опасны тем, что даже при небольших уг­лах наклона фундамента верх опоры перемещается на значитель­ную величину. В результате может быть нарушена конструкция опорных частей, а при больших кренах возможно и обрушение про­летных строений. Кроме того, при кренах возникают дополнитель-

ные моменты от вертикальных сил, увеличивающие наклон фунда­мента.

Общая формула расчета основания по прочности грунтов (по группе I А) имеет вид

Ф
ЛГ< —. (1.1)

Несущая способность основания

Ф=ЯГ. (1.2)

Расчетное сопротивление грунтов

Д= -2-. (1.3)

Здесь N — расчетное силовое воздействие на грунтовое основание;

к_в — коэффициент надежности, учитывающий капитальность и значимость сооружения;

/? — расчетное сопротивление грунтов, залегающих в основании;

Р — геометрическая характеристика (площадь, момент сопротивления) по­дошвы фундамента; /? ^н — нормативное сопротивление грунтов, определяемое натурными испы­таниями, исследованиями грунтов в лабораторных условиях или же теоретическими методами;

к_г — коэффициент безопасности по грунту, учитывающий естественную не­однородность грунтов и разброс их механических характеристик.

В формулу (1.1) в ряде расчетов вводится коэффициент условия работы т, учитывающий влияние окружающей среды, приближен­ность расчетных предпосылок и другие факторы. С учетом всех коэффициентов выражения (1.1) имеем в виде

Ы< —К^НР (1.4а)

Основания фундаментов должны быть рассчитаны как по проч­ности, так и по деформациям грунтов. Расчет по прочности являет­ся основным, так как достижение первого предельного состояния приводит к аварии сооружения. Этот расчет нужно вести на наибо­лее неблагоприятные сочетания нагрузок с учетом соответствующих коэффициентов перегрузок. Расчет по деформациям служит про­веркой эксплуатационной надежности сооружения. Он производится Мя нормативные нагрузки.

Для ряда сооружений, в том числе для небольших мостов, а так­же при благоприятных грунтовых условиях (скального основания и др.) расчет по деформациям становится излишним, так как выпол­нение требований прочности автоматически обеспечивает допусти­мые величины деформаций.

или

N то „„ те
— < ---------- Я^н= --------------- Я.--------------- (1.46)

Значения коэффициентов т, к_Т и к_я устанавливаются норматив­ными документами (СНиП) на основе экспериментальных и теоре­тических исследований, а также накопленного опыта эксплуатации сооружений.

Проверка по группе II предельных состояний производится по выражению