Фундаменты опор мостов из жб оболочек - Расчетное сопротивление скального основания несущего столба

§ 44 РАСЧЕТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ НЕСУЩЕГО СТОЛБА
Характерной особенностью столбчатых фундаментов является заглубление несущих столбов в скальные грунты на величину, превышающую размер поперечного сечения.
Из-за новизны столбчатых конструкций ранее не возникало необходимости в изучении несущей способности скальных оснований для случаев большого заглубления фундаментов в породу, и эта область не нашла отражения в действующих расчетных нормативах сопротивлений скальных пород в основании массивных фундаментов. Поэтому применение действующих нормативов для столбчатых фундаментов приводит к значительному недоиспользованию фактической несущей способности скальных оснований, а, кроме того, исключает возможность назначения оптимального заглубления столбов в скальные породы с целью предельного использования прочностных свойств материала.
В связи с перспективой широкого применения фундаментов новой конструкции в различных областях строительства (морское, гидротехническое, мостостроение и др.) проблема рационального конструирования столбчатых фундаментов, в том числе и максимального использования несущей способности скальных оснований, становится одной из важных проблем в области практического освоения новых конструкций. Высокая прочность пород затрудняет решение практических вопросов несущей способности скальных оснований методами статических испытаний, как это делается в грунтах. Решение поставленной задачи может быть достигнуто проведением специальных исследований.
В качестве основной рабочей гипотезы проводимого исследования было принято допущение об аналогии в характере развития деформации и напряженного состояния в скальных породах и связных грунтах при действии на них внешней нагрузки. Это позволило в некоторой степени использовать методику исследований и имеющиеся выводы по вопросам несущей способности оснований на связных грунтах.
Возможность принятия указанного допущения может быть обоснована изложенными ниже соображениями.                                               
Многие скальные породы осадочного происхождения получились из грунтового скелета цементацией связующего вещества, поэтому структура первых и вторых общая, а различие заключается в прочности связей между частицами (песчаники, мергели, сланцы и др.).
В большинстве выполненных исследований грунты условна рассматриваются как линейно деформируемая сплошная среда. В качестве исходных предпосылок и допущений исследования принималось, что скальные породы являются сплошной однородной средой с линейной зависимостью между напряжениями и деформациями, обладающей постоянством механических свойств.
Вследствие относительно малого влияния объемных сил (в пределах 1—2% действующей нагрузки) они не учитываются. Ввиду того, что кубиковая прочность является наиболее распространенным критерием механических свойств бетона и скальных пород, представляется целесообразным, несмотря на имеющиеся недостатки этого критерия, принять его на первых порах в качестве исходного для проведения исследований прочности скальных оснований.

Для уменьшения разброса численных значений прочности, а также для того, чтобы с большой степенью вероятности отразить влияние различных физических факторов на механическую прочность пород, можно в качестве критерия по аналогии с бетоном принять предел прочности на одноосное сжатие кубиков пород размером 20 X 20 X 20 см, в дальнейшем именуемой кубиковой прочностью. В качестве основного сделано допущение о том, что кубиковая прочность скальных пород пропорциональна величине сил внутреннего сцепления и трения пород. Возможность принятия такого допущения обоснована тем, что в исследованиях механических свойств скальных пород, выполненных при решении горнотехнических задач, установлена зависимость между кубиковой прочностью и внутренним сцеплением пород. Принятие этого допущения позволяет значительно упростить решение задач, связанных с выявлением предельной прочности скальных оснований.
Если для грунтов решение задач о предельной прочности осно ваний связано с необходимостью определения сил внутреннего сцепления и трения (кроме прочих условий), то для скальных пород благодаря упомянутой выше зависимости решение задач (в первой степени приближения), может быть выполнено экспериментальными исследованиями. В процессе проведения этих исследований выявляется закономерность изменения предельного сопротивления скальных оснований от величины относительного заглубления столба в породу и ее кубиковой прочности (вместо сил внутреннего трения и сцепления, как делается при исследованиях грунтовых оснований).
Таким образом, на основании приведенных соображений в данном исследовании в качестве основной расчетной характеристики пород (отражающей в скрытом виде силы внутреннего сцепления и трения), входящей в эмпирические зависимости предельного сопротивления оснований от механических свойств скальных пород, принята кубиковая прочность. Это способствовало упрощению методики экспериментальных работ и конечных формул для определения расчетной прочности скальных оснований. Учет влияния на прочность скальных оснований трещиноватости, слоистости и других факторов впредь до получения более точных данных производится с помощью коэффициентов однородности пород в соответствии с данными Строительных норм и правил (СН и П-54).
Необходимость выявления фактических запасов прочности скальных оснований при наличии большого количества разнообразных факторов, влияющих на нее, вынуждает отказаться от метода расчета по допускаемым давлениям, как не удовлетворяющего предъявленным требованиям, и перейти к расчету по предельным состояниям.

В рационально запроектированных столбчатых фундаментах, воспринимающих вертикальные и горизонтальные нагрузки, сравнительно небольшое количество наклонно расположенных столбов работает в основном на восприятие осевых усилий. Значительное взаимное расстояние столбов в плане устраняет возможность взаимного накладывания напряженных зон породы, чем предотвращается снижение расчетной прочности основания всего фундамента и расчет его сводится к выявлению прочности основания одиночного столба. Это позволяет в общей задаче исследования скальных оснований фундаментов в качестве исходного принять исследование расчетной прочности основания одиночного столба, работающего на осевую нагрузку.
В процессе экспериментальных исследований было установлено, что нагрузка от несущего столба, заглубленного в скальную породу, передается через боковую поверхность и торец.
Общая задача исследования была разделена на три части с целью выявления:

1. закономерности изменения предельного сопротивления скальной породы под торцом несущего столба (при отсутствии бокового трения) в зависимости от ее физико-механических свойств и величины относительного заглубления в нес (отношение величины заглубления в породу к диаметру заглубленной части столба);
2. изменения предельного сопротивления столба сдвигу по боковой поверхности скважины в скальной породе в зависимости от заглубления и свойств ее и бетона;
3. доли участия (в восприятии нагрузки) боковой поверхности скважины и ее основания в зависимости от заглубления и действующей на столб нагрузки.                                                                                 

От проведения всего комплекса опытных работ на образцах натуральной величины пришлось отказаться из-за сложности устройства мощных анкерных креплений, а также влияния структурных и текстурных особенностей скальных пород. Более простым было проведение опытов на моделях оснований столбов малого размера. Применимость метода моделирования для экспериментального исследования расчетной прочности скальных Оснований основана на возможности создания условий подобия моделей с натурой.
В соответствии с теорией подобия для случаев моделирования связных грунтов (некоторое сходство с которыми имеют и скальные породы) требуется создание геометрического подобия внешних сил и подобия объемных сил модели и натуры. Если первые два условия при моделировании с одинаковым материалом модели и натуры сравнительно легко выполняются, то условие моделирования объемных сил (для связных грунтов) без применения центрифуги обеспечить не представляется возможным. В отличие от связных грунтов в скальных породах предельное сопротивление в основном зависит от сил внутреннего сцепления, а влияние объемного веса проявляется в незначительной степени. Поэтому с достаточной для практики точностью возможно осуществить моделирование прочности скальных оснований без применения центрифуги.
Исследованиями установлено, что на точность получаемых результатов при экспериментальных работах существенное влияние оказывают абсолютные размеры испытуемых образцов и размеры зерен породы. Было отмечено, что при увеличении абсолютных размеров зерен породы (для уменьшения разброса численных значений пределов прочности испытуемых образцов) требуется увеличивать их размеры.
Поскольку опытные работы проводились с мелкозернистым песчаником, в качестве минимального размера модели столба (штампа) был принят диаметр 5 см и в виде исключения девять испытаний были проведены со штампом диаметром 3 см.
Контроль полученных моделированием данных проводился натурным испытанием двух несущих столбов различного диаметра.
Цель экспериментальных работ сводилась к получению данных, характеризующих закономерность изменения величины предельного сопротивления раздавливанию скальных пород под торцом заглубленных моделей несущих столбов и предельного сопротивления сдвигу по их контакту с боковой поверхностью скважины в породе, а также характер их взаимного участия в восприятии нагрузки в зависимости от механических свойств бетона, породы и величины относительного заглубления в породу.
В качестве моделей несущих столбов использовались штампы различных диаметров, вдавливаемые в породу при различном предварительном заглублении в нее, и бетонные пробки с разным отношением высоты к диаметру, сдвигаемые (срезаемые) в различных породах.
Выявление закономерности изменения предельного сопротивления породы под торцом несущего столба проводилось вдавливанием стальных штампов диаметром 3, 5, 6, 10, 15, 20, 40 и 55 см в песчаник как на поверхности, так и при заглублении в него на величину, кратную диаметру.          ·
Применение металла для штампов диктовалось необходимостью обеспечения их достаточной прочности в условиях, когда разрушающие напряжения испытуемой породы в основании штампов превосходили ее кубиковую прочность в десятки раз. Жесткость штампов не оказала существенного влияния, так как опыты проводились с высокопористыми породами, в которых концентрация напряжений приводила к местной пластической деформации породы.
Принятие песчаника в качестве испытуемой породы было продиктовано необходимостью получения образцов больших размеров с однородной структурой, а также стремлением получить породу с возможно низкой кубиковой прочностью (100—136 кг/см² и пористостью до 23%).
Для выявления закономерности осадки нагруженных штампов в зависимости от удельного давления и их диаметра испытания проводились на песчано-цементном камне с кубиковой прочностью 60—100 кг/см² и пористостью до 43%.
Опыты по срезу бетонных пробок диаметром 11, 22 и 42 см из бетона с кубиковой прочностью 168, 170, 243 и 305 кг/см², заделанных в песчанике, известняке и граните на глубину, кратную их диаметру, позволили выявить закономерность изменения и величину предельных напряжений среза пробок по боковой поверхности скважины в породе. Характер одновременной передачи нагрузки на породу через боковую поверхность и торец столба определялся вдавливанием в песчаник бетонных пробок диаметром 11 см, предварительно заглубленных в него на 11 см.
Опытные работы проводились на специально оборудованном стенде при сжимающем усилии до 1000 т. Для удобства смены испытуемых образцов породы (при необходимости проведения испытаний в условиях полупространства) образцы закладывались в специальную металлическую обойму внутренним диаметром 1,35м и заливались цементным раствором. Нагрузка создавалась 500-тонным гидравлическим домкратом; замер деформаций производился мессурами с точностью до 0,01 мм.
Характер разрушения породы при вдавливании в нее штампа выявлялся на специальной модели вдавливанием деревянного штампа в парафин.

Рис. 72. График изменения осадки штампов, вдавливаемых на поверхности песчано-цементного камня, в зависимости от удельного давления на породу и диаметра штампа

Рис. 73. График зависимости разрушающих напряжений песчаника от диаметра штампов, вдавливаемых на его поверхности

В результате проведения опытных работ были получены следующие выводы.
Деформация породы под нагруженным штампом, вдавливаемым на ее поверхности, возрастает с увеличением удельного давления и диаметра штампа. Характерные кривые этой зависимости для песчано-цементного камня приведены на рис. 72.
Предельное сопротивление породы (песчаника) при вдавливании штампа на ее поверхности уменьшается с увеличением диаметра штампа (рис. 73).
Предельное сопротивление породы повышается с увеличением предварительного заглубления штампа в нее, что видно из графика рис. 74, на котором приведено изменение разрушающих напряжений песчаника при вдавливании в него штампов диаметром 3 и 6 см в зависимости от величины их предварительного заглубления в породу.
Разрушение породы (песчаника) при вдавливании заглубленного штампа происходит в последовательности, представленной схематически на рис. 75.

Рис. 74. График изменения разрушающих напряжений песчаника под штампами диаметром 3 и 6 см при разных соотношениях и заглубления штампов к их диаметру

Типичная зона скалывания песчаника, полученная при вдавливании в него штампа диаметром 6 см с предварительным заглублением 9 см, показана на рис. 76 (диаметральный излом зоны скалывания сделан впоследствии для снятия характерных размеров).
Во всех опытах с вдавливанием штампов в песчаник наблюдалось отделение зоны скалывания без ее разрушения.
При вдавливании штампов в известняк и мергель зона скалывания разделялась на части преимущественно радиальными трещинами, но форма зон выкалывания и разрушения в плане и профиле имела очертание, аналогичное подобным зонам в песчанике.

Рис. 75. Последовательность разрушения породы под нагруженным штампом (установлено на модели путем вдавливания деревянного штампа в парафин):
1 — зона скалывания; 2 — зона разрушения; 3 — ядро породы под штампом; 4 — поверхность скалывания

Срез бетонных пробок в скальной породе происходил по бетону, если он слабее породы, и наоборот. На рис. 77 показана пробка диаметром 11 см и высотой 11 см из бетона марки 168 кг/см² после среза в песчанике прочностью 100 кг/см². При срезе бетонных пробок в породе, несмотря на то, что образцы породы заливались цементным раствором прочностью около 100 кг/см², в них наблюдалось появление волосных трещин, которые раскрывались после извлечения образцов из обоймы.
Величина предельных напряжений среза (взятых по отношению к Кубиковой прочности) по боковой поверхности сдвигаемых пробок в различных породах мало изменяется с изменением их диаметра, если отношение высоты к диаметру остается неизменяемым.
На графике рис. 78 приведены данные о предельных напряжениях для пробок (из бетона марок 163, 170, 243 и 305 кг/см²), заделанных в песчанике прочностью 100 кг/см², известняке и граните прочностью свыше 800 кг/см² при отношении высоты пробки к ее диаметру, равным единице. С увеличением этого отношения напряжения среза имеют некоторую тенденцию к увеличению.

График предельных напряжений среза при различном соотношении высоты пробок к их диаметру (при d = 11 см) для случаев их заделки в песчанике, известняке и граните приведен на рис. 79.

Рис. 76. План и фасад выколовшейся части песчаника (зона скалывания) при вдавливании металлического штампа диаметром 6 см, предварительно заглубленного на 9 см

Величина предельного сопротивления породыпри вдавливании в нее заглубленной бетонной пробки, имеющей контакт с породой по боковой поверхности и торцу, больше суммы предельных сопротивлений для такой же пробки, полученных различно от сдвига по боковой поверхностии торцу, т. е.
В табл. 11 приведены значения напряжений для бетонных пробок диаметром 11 см и высотой 11 см, вдавливаемых в песчаник.
Полученные в итоге опытных работ зависимости имеют сходство с аналогичными закономерностями, установленными для грунтов.
Предельные сопротивления породы при вдавливании на ее поверхности штампов различного диаметра получились несколько меньше ожидаемых, особенно при больших диаметрах штампов, что может быть объяснено влиянием микротрещин и ограниченными размерами образцов. Несмотря на последнее обстоятельство впредь до его уточнения, полученные данные общего комплекса экспериментальных работ дают возможность (в первом приближении) произвести их предварительное обобщение и сделать некоторые практические выводы, позволяющие значительно повысить расчетную несущую способность скальных оснований столбчатых фундаментов. 

Таблица 11


Рис. 77. Общий вид бетонной пробки диаметром 11 см и высотой 11 см, срезанной в образце песчаника

Анализ приведенных выше данных опытных работ показывает, что предельное сопротивление скального основания столба зависит от механических свойств породы, бетона и относительного заглубления столба в породу, т. е.
здесь — предельное сопротивление скального основания столба;
Rс — кубиковая прочность скальной породы;
Rб — кубиковая прочность бетона;                                       
d —диаметр заглубленной части столба;
h — глубина заделки столба в породу.
Силы сопротивления срезу столба по боковой поверхности скважины в породе и разрушению породы под его торцом, взятые в условиях их взаимной работы, являются двумя основными факторами, определяющими несущую способность скального основания столба.

Рис. 79. Характер изменения разрушающих напряжений среза по боковой поверхности сдвигаемых бетонных пробок в разных скальных породах при различных отношениях высоты к диаметру
Для практических целей с известным запасом прочности на основании данных табл. 11 можно принять предельное сопротивление скального основания столба равным сумме предельных сопротивлений срезу столба по его боковой поверхности в породе Тп и предельному сопротивлению породы под торцом столба Рп, т. е.

Различное значение коэффициентов условий работы m1 и m2 отражает различие в характере изменения напряжений по боковой поверхности и основанию скважины в зависимости от величины относительного заглубления столба в породу и ее механических свойств.
Различные значения коэффициентов однородности бетона и породы отражают влияние физических факторов на их механические свойства. К числу таких факторов может быть отнесено отличие механических свойств материала бетона и породы в разных точках массива вследствие влияния специфических условий их образования, наличие  слоистости и трещиноватости, влияние выветривания и другие факторы.

Рис. 80. Сравнительный график расчетных сопротивлений скальных оснований одиночных столбов, подсчитанных по ТУПМ-56 СНиП-54 и полученной формуле

Формула (4) не имеет практического применения, так как для заглубленных столбов при условии Rс>3Rб лимитирующим фактором будет не прочность скального основания, а прочность бетона несущих столбов в уровне поверхности скальной породы.
Для проверки фактической несущей способности тела столбов и скального основания было проведено статическое испытание нагрузкой столба диаметром 1,10 м, заглубленного в известняк с кубиковой прочностью 300 кг/см², и столба диаметром 1,55 м, заглубленного в известняк прочностью 500 кг/см². Кубиковая прочность бетона 280 кг/см².
Данные испытания двух столбов в натуральную величину подтвердили возможность значительного увеличения допускаемых давлений на столбы, заглубленные в скальные породы, а также до некоторой степени явились проверкой эмпирической формулы (3) несущей способности основания столба.
Сопоставление полученных величин испытательных нагрузок (при которых не было достигнуто разрушения оснований) с данными несущей способности оснований, полученными по формуле (3), приведено в табл. 12.

Таблица 12

Формула (3) дает возможность приближенно определить расчетную прочность основания одиночных столбов при расположении столбов на расстояниях, превышающих трех- и пятикратную величину диаметра, в случаях заделки их в сплошную скальную породу.
Для определения кубиковой прочности скальных пород и бетона образцы должны испытываться только в водонасыщенном состоянии.  
Сравнение величины расчетного сопротивления основания одиночного столба, подсчитанного по полученной формуле (3), по ТУПМ-56 (Технические условия на проектирование мостов и труб на железных дорогах нормальной колеи) и СН и П-54 (Строительные нормы и правила) приведено на графике рис. 80. Условные обозначения на графике прежние.

Рис. 81. Схемы возможного применения несущих столбов диаметром 1—2 м в основании сборных тонкостенных опускных колодцев большого диаметра

Рис. 82. Схемы возможного применения несущих столбов в основании массивных опускных колодцев

Для возможности сравнения расчетной прочности скального основания столба, полученной по разным нормативам и по формуле (3), в последнюю, при коэффициентах т1 и т2, введен переходный множитель 0,65, отражающий снижение предела прочности образцов кубической формы с ребром, равным 20 см по отношению к образцам с ребром 5 см (которые приняты в качестве критерия прочности скальных пород в действующих нормативных указаниях).
Формулы (3) и (4), полученные на основе экспериментальных работ, представляют собой эмпирические зависимости, позволяющие приближенно оценить расчетную прочность основания одиночного столба в сплошных скальных породах.
Вследствие высокой прочности скальных оснований представляется целесообразным на первый период освоения новой конструкции фундаментов диаметр забуриваемой части несущих столбов ограничить пределами от 1 до 2 м с тем, что необходимая расчетная прочность оснований сборных опускных колодцев-оболочек, имеющих диаметр свыше 2 м, обеспечивается размещением одного или нескольких столбов в пределах контура колодца (рис. 81).
На рис. 82 показаны две схемы возможного применения несущих столбов в основании массивных опускных колодцев.