Фундаменты и расчет закрепления опор в грунте

В понятие закрепления опор в грунте входит совокупность инженерных мероприятий по выбору конструкции подземной части опор, обеспечивающих требуемую надежность их работы в процессе эксплуатации ВЛ.

Фундаментом опоры называется конструкция, заделанная в грунт и передающая на него нагрузки от опоры, изоляторов, проводов и внешних воздействий. Конструкции фундаментов выбираются в соответствии с типом опоры, действующей на фундамент нагрузкой и характеристикой грунта. Одностоечные опоры, у которых нижний конец стойки на 2 - 3,5 м заделывается в грунт, устанавливаются без фундаментов: фундаментом является низ стойки. Металлические опоры и железобетонные опоры с оттяжками устанавливаются на фундаменты, которые бывают монолитные бетонные или железобетонные заводского изготовления или сборные. Первые применяются только в слабых обводненных грунтах.

Область грунта, воспринимающая давление от фундамента, называется основанием. Расстояние от подошвы фундамента до поверхности грунта в месте его установки называется глубиной заложения фундамента. Глубина заложения фундамента зависит от плотности грунта и глубины его промерзания. Кроме того, учитываются нарушения структуры грунта: так грунт при засыпке котлованов – грунт с нарушенной структурой – имеет гораздо меньшую прочность, чем грунт нетронутый разработками, т.е. грунт с ненарушенной структурой. Особенно тщательно анализируются характеристики грунтов основания фундаментов. Строительными нормами и правилами (СНиП) все грунты разделены на 39 групп, которые в зависимости от трудности разработки отнесены к той или иной категории. Самую высокую, XI категорию, имеют кремнистые сланцы, самую низкую, I категорию, грунт растительного слоя без корней. Грунт, служащий основанием для фундамента, представляет собой раздробленное тело и в общем случае состоит из трех элементов: минеральных частиц, воды и воздуха.

Основными физическими характеристиками грунта являются удельный вес - вес единицы объема минеральных частиц при отсутствии пор между ними; объемный вес - вес единицы объема грунта в условиях естественного природного залегания и весовая влажность – отношение веса воды, находящейся в порах грунта к весу грунта в абсолютно сухом состоянии.

Различают влажность на границе текучести W_L , при незначительном увеличении которой грунт переходит в текучее состояние, и влажность на границе раскатывания W_Р , при незначительном уменьшении которой грунт переходит в полутвердое состояние. Обозначим через W природную весовую влажность грунта. Соотношение , называемое показателем консистенции глинистых грунтов, является важнейшей характеристикой, позволяющей точно определить основные механические характеристики, необходимые для расчета оснований фундаментов.

Так, грунты с являются достаточно хорошим естественным основанием для фундамента, а для грунтов с требуются специальные меры и средства для надежного закрепления в них опор.

Основной характеристикой песчаных грунтов является коэффициент пористости, определяемый как отношение

,

где V_пор – объем пор в грунте, V_скел – объем минеральных частиц грунта. Коэффициент пористости изменяется в пределах 0,45-0,75, и чем выше его значение, тем более слабым, рыхлым является грунт, что также требует специальных средств для надежного закрепления опор.

Важнейшими нормативными характеристиками грунтов являются: угол внутреннего трения , удельное сцепление С^Н и модуль деформации Е, характеризующие прочность грунта, или его деформативность под нагрузкой. Эти характеристики определены в лабораторных условиях для различных типов грунтов и приведены в приложении М.

Рассмотрим типовые методики расчета закрепления в грунте железобетонных и металлических опор.

9.1 Расчет закрепления свободностоящих железобетонных опор

без специальных фундаментов

Установка стоек опор выполняется в котловане, образованном буровой машиной, диаметр бура которых на 5–7 см превышает диаметр стойки, с засыпкой и плотной трамбовкой пазух между стенками котлована и поверхностью стойки. Такая установка применяется для ненарушенных грунтов, обладающих достаточно высокими механическими характеристиками (рис. 9.1а). Для усиления заделки при слабом или нарушенном грунте применяют дополнительно один (рис. 9.1б) или два ригеля, закрепляемых на стойке в верхней части котлована. Ригель размещается в специально выполненной узкой щели и, как стойка, опирается на грунт с ненарушенной структурой. При наличии грунтовых вод, сыпучих песков или грунта с большим содержанием гальки и валунов образовать котлован буровой машиной не удается, и его вскрывают экскаватором (рис. 9.1в). Тогда опора закрепляется в засыпном грунте, т.е. грунте с нарушенной структурой, имеющем сниженные механические характеристики. Здесь для усиления заделки опор ригели устанавливаются и в нижней части стойки. Если под слоем сухого грунта находится обводненный грунт, то заглубление нецелесообразно, в таких случаях глубину заделки компенсируют устройством насыпной банкетки соответствующей высоты (рис. 9.1г). Опоры анкерно-углового типа также устанавливают непосредственно в грунт в наклонные или прямые котлованы.

Рис. 9.1

Расчет оснований фундаментов представляет собой проверку опоры на опрокидывание горизонтальными силами и моментами, действующими в вертикальных плоскостях. В основе расчета лежит метод предельных состояний, согласно которому задача расчета закрепления одностоечных опор сводится к определению:

1) устойчивости (несущей способности) под действием расчетных нагрузок;

2) деформации стойки в заделке под действием нормативных нагрузок.

За предельное состояние оснований опор принято такое состояние, при котором обеспечивается их работа. При дальнейшем увеличении внешних нагрузок они перестают удовлетворять требованиям прочности.

Условием устойчивого закрепления опоры в грунте по несущей способности является

, (9.1)

где k_Н – коэффициент надежности, задаваемый в зависимости от типа опор (для промежуточных опор k_Н = 1 [4, с.264]); m_З – коэффициент условий работы закрепления, зависящий от вида грунта (песчаный, глинистый), его консистенции и типа закрепления (с нарушенной или ненарушенной структурой грунта); Q^П – предельная горизонтальная нагрузка, приложенная к опоре, определяемая расчетным путем; Q^Р – расчетная горизонтальная сила, действующая на стойку, определяемая в результате расчета опоры.

Значения нагрузок Q^П и Q^Р определяются как силы, приложенные к опоре на высоте , где М^Р – расчетный изгибающий момент, определяемый как горизонтальными, так и вертикальными нагрузками на опору. Горизонтальные – это ветровые нагрузки на опору, провода и тросы, вертикальные обусловлены собственным весом опоры, весом проводов, тросов, гирлянд изоляторов, арматуры. Соответственно, расчетный момент М^Р является суммой моментов всех сил и нагрузок. Расчет поперечной нагрузки Q осуществляется методом последовательных приближений при совместном решении уравнения равновесия проекций всех сил на вертикальную и горизонтальную оси опоры и уравнения моментов всех сил относительно центра тяжести эпюры давления грунта в нижней части опоры. Расчет достаточно сложен, поскольку в качестве исходных данных содержит, кроме характеристик опоры, проводов, тросов, районов по ветру и гололеду, физические характеристики грунтов, обуславливающие силы сцепления поверхности грунта с материалом стойки опоры.