СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. Часть 2

2.22. Массивы скальных грунтов по степени трещиноватости, водопроницаемости, деформируемости, выветрелости, по нарушению сплошности и показателю качества RQD характеризуются данными, приведенными в рекомендуемом приложении 1.

2.23. По деформируемости и прочности в различных направлениях массивы скальных грунтов следует считать изотропными при коэффициенте анизотропии не более 1,5 и анизотропными при коэффициенте анизотропии более 1,5. Под коэффициентом анизотропии понимается отношение большего значения характеристики к меньшему в двух заданных направлениях.

3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ

3.1. Критерием обеспечения устойчивости сооружения, системы сооружение – основание и склонов (массивов) является условие

(3)

где F, R – расчетные значения соответственно обобщенных сдвигающих сил и сил предельного сопротивления или моментов сил, стремящихся повернуть (опрокинуть) и удержать сооружение;

– коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый: для основного сочетания нагрузок – 1,0; для особого сочетания нагрузок – 0,9; для сочетаний нагрузок в периоды строительства и ремонта – 0,95;

– коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 5;

– коэффициент надежности по степени ответственности сооружений, принимаемый равным 1,25, 1,20, 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений I,II,III и IV классов.

Примечания: 1. При расчете устойчивости скальных склонов и откосов по предельным состояниям второй группы и следует принимать равными единице.

2. Устойчивость плотин из грунтовых материалов следует рассчитывать в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05–84.

Таблица 5

3.2. При определении расчетных нагрузок коэффициенты надежности по нагрузкам следует принимать согласно требованиям СНиП II–50–74.

Примечания: 1. Коэффициенты надежности по нагрузкам следует принимать одинаковыми (повышающими или понижающими) для всех проекций расчетной нагрузки.

2. Bсe нагрузки от грунта (вертикальное давление от веса грунта, боковое давление грунта) следует, как правило, определять по расчетным значениям характеристик грунта , принимая при этом коэффициенты надежности по нагрузкам равными единице.

3.3. Расчеты устойчивости сооружений и грунтовых массивов следует, как правило, производить методами, удовлетворяющими всем условиям равновесия в предельном состоянии.

Допускается применять и другие методы расчета результаты которых проверены опытом проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

В расчетах устойчивости следует рассматривать все физически и кинематически возможные схемы потери устойчивости сооружений, систем сооружение – основание и склонов (массивов).

Примечания: 1. Расчеты следует выполнять для условий плоской или пространственной задачи. При этом условия пространственной задачи принимают, если l < 3b или l < 3h (для шпунтовых сооружений) или когда поперечное сечение сооружения, нагрузки, геологические условия меняются по длине l₁ < 3b (< 3h) где l и b – соответственно длина и ширина сооружения, h – высота сооружения с учетом углубления сооружения или шпунта в грунт основания, l₁ – длина участка с постоянными характеристиками.

2. В расчетах устойчивости для условий пространственной задачи необходимо учитывать силы трения и сцепления по боковым поверхностям сдвигаемого массива грунта и сооружения. При этом следует, как правило, давление на боковые поверхности принимать равным давлению покоя, определяемому по указаниям СНиП II–55–79.

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СООРУЖЕНИЙ НА НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

3.4. В расчетах устойчивости гравитационных сооружений на нескальных основаниях следует рассматривать возможность потери устойчивости по схемам плоского, смешанного и глубинного сдвигов. Выбор схемы сдвига в зависимости от вида сооружения, классификационной характеристики основания, схемы загружения и других факторов производится по указаниям пп.3.5, 3.9 и 3.11.

Перечисленные схемы сдвига могут иметь место как при поступательной форме сдвига, так и при сдвиге с поворотом в плане.

Для сооружений, основанием которых являются естественные или искусственные откосы или их гребни, необходимо также рассматривать схему общего обрушения откоса вместе с расположенным на нем сооружением.

3.5. Расчет устойчивости гравитационных сооружений (кроме портовых), основания которых сложены песчаными, крупнообло­мочными, твердыми и полутвердыми пылевато–глинистыми грунтами, следует производить только по схеме плоского сдвига при выполнении условия

(4)

В случаях, если основания сложены туго– и мягкопластичными пылевато–глинистыми грунтами, кроме условия (4) следует выполнять условия:

(5)

(6)

В формулах (4) – (6) :

– число моделирования;

– максимальное нормальное напряжение в угловой точке под подошвой сооружения (с низовой стороны);

b – размер стороны (ширина) прямоугольной подошвы сооружения, параллельной сдвигающей силе (без учета длины анкерного понура);

– удельный вес грунта основания, принимаемый ниже уровня воды с учетом ее взвешивающего действия;

N₀ – безразмерное число, принимаемое для плотных лесков равным 1, для остальных грунтов – равным 3. Для всех грунтов оснований сооружений I и II классов N₀, как правило, следует уточнять по результатам экспериментальных исследований методом сдвига штампов в котлованах сооружений;

tg – расчетное значение коэффициента сдвига;

tg· с₁ – то же, что в п. 2.7;

– среднее нормальное напряжение по подошве сооружения;

– коэффициент степени консолидации;

k – коэффициент фильтрации;

е – коэффициент пористости грунта в естественном состоянии;

t₀ – время возведения сооружения;

а – коэффициент уплотнения;

– удельный вес воды;

h₀ – расчетная толщина консолидируемого слоя, принимаемая для сооружения с шириной подошвы b, на части которой b_d расположен дренаж, равной:

а) для однослойного основания:

при наличии водоупора, залегающего на глубине h₁ (h₁ Н_c; Н_c – см. п. 7.9),

(7)

при залегании в основании дренирующего слоя на глубине h₁ (h₁ Н_c)

(8)

б) для двухслойного основания с толщинами слоев h₁ и h₂:

при наличии водоупора и при k₁k₂ (h₁ + h₂ Н_c)

(9)

при наличии дренирующего слоя на глубине h₁ + h₂ (h₁ + h₂ Н_c)

(10)

Примечание. Указания настоящего пункта не распространяются на случаи, когда особенности конструкции сооружения и геологического строения основания, а также распределение нагрузок предопределяют глубинный сдвиг.

3.6. При расчете устойчивости сооружения по схеме плоского сдвига за расчетную поверхность сдвига следует принимать:

при плоской подошве сооружения – плоскость опирания сооружения на основание с обязательной проверкой устойчивости по горизонтальной плоскости сдвига, проходящей через верховой край подошвы;

при наличии в подошве сооружения верхового и низового зубьев: при глубине заложения верхового зуба, равной или большей низового, – плоскость, проходящую через подошву зубьев, а также горизонтальную плоскость, проходящую по подошве верхового зуба; при глубине заложения низового зуба более глубины заложения верхового зуба – горизонтальную плоскость, проходящую по подошве верхового зуба (при этом все силы следует относить к указанной плоскости, за исключением пассивного давления грунта со стороны нижнего бьефа, которое надлежит определять по всей глубине низового зуба);

при наличии в основании сооружения каменной постели – плоскости, проходящие по контакту сооружения с постелью и постели с грунтом; при наличии у каменной постели заглубления в грунт следует рассматривать также наклонные плоскости или ломаные поверхности, проходящие через постель.

3.7. При расчете устойчивости сооружений по схеме плоского сдвига (без поворота) при горизонтальной плоскости сдвига R = R_pl и F в условии (3) следует определять по формулам:

(11)

(12)

где R_pl – расчетное значение предельного сопротивления при плоском сдвиге;

Р – сумма вертикальных составляющих расчетных нагрузок (включая противодавление);

tg,с₁ – характеристики грунта по расчетной поверхности сдвига, определяемые по указаниям разд. 2;

– коэффициент условий работы, учитывающий зависимость реактивного давления грунта с низовой стороны сооружения от горизонтального смещения сооружения при потере им устойчивости, принимаемый по результатам экспериментальных исследований; при их отсутствии значение следует принимать: для всех видов сооружений, кроме портовых. – 0,7, для портовых – 1;

, – соответственно расчетные значения горизонтальных составляющих силы пассивного давления грунта с низовой стороны сооружения и активного давления грунта с парковой стороны, определяемые по указаниям СНиП II–55–79; при определении , ниже уровня воды следует учитывать ее взвешивающее действие на грунт, а также влияние фильтрационных сил;

А_g – площадь горизонтальной проекции подошвы сооружения, в пределах которой учитывается сцепление;

R_g – горизонтальная составляющая силы сопротивления свай, анкеров и т. д.;

F – расчетное значение сдвигающей силы;

– суммы горизонтальных составляющих расчетных значений активных сил, действующих соответственно со стороны верховой и низовой граней сооружения, за исключением активного давления грунта.

Примечания: 1.В случае наклонной плоскости сдвига при определении R_pl и F силы проектируются на эту плоскость и на нормаль к ней.

2. Для вертикально– и наклонно–слоистых оснований tg·и с₁ следует определять по обязательному приложению 5 как средневзвешенные значения характеристик грунтов всех слоев с учетом перераспределения нормальных контактных напряжений между слоями пропорционально их модулям деформации.

3. Под низовой стороной сооружения понимается та, в направлении которой проверяется возможность сдвига.

4. Для портовых сооружений I класса величины tg·и с₁ по контакту сооружения с каменной постелью следует определять по результатам экспериментальных исследований. Для портовых сооружений II–IV классов, а также I класса на стадии технико–экономического обоснования строительства допускается принимать по контакту сооружение – каменная наброска – tg = 0,6, с₁ = 0, по поверхности сдвига внутри каменной наброски – tg = 0,85, с₁ = 0.

5. При наличии постели под сооружением пассивное давление грунта, как правило, следует определять только ниже подошвы сооружения с учетом веса вышележащего грунта.

3.8. В случае, если расчетная сдвигающая сила F приложена с эксцентриситетом в плоскости подошвы е_F , расчет устойчивости сооружений следует производить по схеме плоского сдвига с поворотом в плане ( l и b – размеры сторон прямоугольной подошвы сооружения). Эксцентриситет е_F и силу предельного сопротивления сдвигу при плоском сдвиге с поворотом R_pl,t следует определять по указаниям, приведенным в рекомендуемом приложении 6.

3.9. Расчет устойчивости сооружений по схеме смешанного сдвига следует производить для сооружений на однородных основаниях во всех случаях, если не соблюдаются условия, приведенные в п. 3.5. При этом сопротивление основания сдвигу следует принимать равным сумме сопротивлений на участках плоского сдвига и сдвига с выпором (черт. 1). Сила предельного сопротивления при расчете устойчивости сооружений по схеме смешанного сдвига R_com при поступательной форме сдвига определяется по формуле

(13)

где – то же, что в формуле (5);

tg·и с₁

b₁,b₂ – расчетные значения ширины участков подошвы сооружения, на которых происходят сдвиг с выпором и плоский сдвиг;

– предельное касательное напряжение на участке сдвига с выпором, определяемое в соответствии с указаниями рекомендуемого приложения 7;

l – размер стороны прямоугольной подошвы сооружения, перпендикулярной сдвигающей силе.

Черт. 1. Схема к расчету несущей способности основания и устойчивости сооружения при смешанном сдвиге

аб – участок плоского сдвига; бв – участок сдвига с выпором; бвгдб– зона выпора

Значения b₁ следует определять в зависимости от s_max (с низовой стороны) по черт. 2. При эксцентриситете е_p нормальной силы Р в сторону нижнего бьефа в формуле (13) вместо b, b₁ и b₂ следует принимать b^¢, b₁^¢ и b₂^¢ (где b' = b – 2е_p, а ); эксцентриситет в сторону верхнего бьефа в расчетах не учитывается.

Для портовых сооружений расчеты устойчивости по схеме смешанного сдвига допускается не производить.

Черт. 2. Графики для определения ширины участка подошвы сооружения b₁, на котором происходит сдвиг с выпором грунта основания

а – для грунтов с коэффициентом сдвига tg> 0,45; б – то же, при tgy_I<0,45; – среднее нормальное напряжение в подошве сооружений, при котором происходит разрушение основания от одной вертикальной нагрузки ( определяется по рекомендуемому приложению 5; ).

3.10. При смешанном сдвиге с поворотом в плане предельная сдвигающая сила принимается равной , где – коэффициент, определяемый по указаниям рекомендуемого приложения 6, – то же, что в формуле (13).

3.11. Расчет устойчивости сооружений по схеме глубинного сдвига следует производить:

а) для всех типов сооружений, несущих только вертикальную нагрузку, а для портовых сооружений – независимо от характера нагрузки;

б) при невыполнении требований п. 3.5 для сооружений, несущих вертикальную и горизонтальную нагрузки и расположенных на неоднородных основаниях.

3.12. Расчет устойчивости гравитационных сооружений (кроме портовых) по схеме глубинного сдвига допускается производить по рекомендуемому приложению 7.

Расчет устойчивости портовых сооружений, как правило, следует производить двумя методами, исходя из поступательного перемещения сдвигаемого массива грунта вместе с сооружением по ломаным плоскостям сдвига и из вращательного их перемещения по круглоцилиндрической поверхности сдвига в соответствии с рекомендуемым приложением 8, а при специальном обосновании – одним из указанных методов.

При использовании обоих методов определяющими являются результаты расчета устойчивости по тому методу, по которому условие (3) показывает меньшую надежность сооружения.

3.13. При расчете устойчивости сооружений на основаниях, сложенных пылевато–глинистыми грунтами со степенью влажности S_r0,85 и коэффициентом степени консолидации < 4 (см. п. 3.5), следует принимать характеристики грунта tgи с_I, соответствующие его степени консолидации, или вводить в расчет поровое давление (определяемое экспериментальным или расчетным путем) при характеристиках грунта, соответствующих его стабилизированному состоянию.

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СООРУЖЕНИЙ НА СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

3.14. Расчеты устойчивости сооружений на скальных основаниях, скальных откосов и склонов следует выполнять по схеме сдвига по плоским или ломаным расчетным поверхностям. Для бетонных и железобетонных сооружений на скальных основаниях следует также рассматривать схему предельного поворота (опрокидывания) с разрушением основания под низовой гранью сооружения. При этом определяющими являются результаты расчета по той схеме, которая по условию (3) показывает меньшую надежность сооружения (откоса, склона).

При плоской расчетной поверхности сдвига следует учитывать две возможные схемы нарушения устойчивости:

поступательный сдвиг;

сдвиг с поворотом в плане.

При ломаной расчетной поверхности сдвига следует учитывать три возможные расчетные схемы:

сдвиг вдоль ребер ломаной поверхности (продольный);

сдвиг поперек ребер ломаной поверхности (поперечный);

сдвиг под углом к ребрам ломаной поверхности сдвига (косой).

Выбор схемы нарушения устойчивости сооружения или откоса (склона) и определение расчетных поверхностей сдвига следует производить, используя данные анализа инженерно–геологических структурных моделей, отражающих основные элементы трещиноватости скального массива (ориентировку, протяженность, мощность, шероховатость трещин, их частоту и т.д.) и наличие ослабленных прослоек и областей.

3.15. При расчете устойчивости сооружений и скальных откосов (склонов) по схеме поступательного и продольного сдвигов величины, входящие в условие (3), необходимо определять по формулам:

; (14)

, (15)

где F, R – то же, что в формуле (3);

Т – активная сдвигающая сила (проекция равнодействующей расчетной нагрузки на направление сдвига);

P_i – равнодействующая нормальных напряжений (сил), возникающих на i–м участке поверхности сдвига от расчетных нагрузок;

R_g – сила сопротивления, ориентированная против направления сдвига, возникающая от анкерных усилий и т.д.;

п – число участков поверхности сдвига, назначаемое с учетом неоднородности основания по прочностным и деформационным свойствам;

,– расчетные значения характеристик скальных грунтов для i–го участка расчетной поверхности сдвига, определяемые в соответствии с требованиями п. 2.16;

A_i – площадь i–го участка расчетной поверхности сдвига;

E_i – расчетная сила сопротивления упорного массива (обратной засыпки), определяемая по указаниям п. 3.16.

3.16. Расчетное значение силы сопротивления упорного массива или обратных засыпок следует определять по формуле

, (16)

где – расчетное значение силы пассивного сопротивления.

Для обратных засыпок и упорных массивов без выраженных поверхностей ослабления определяется по указаниям СНиП II-55–79. Для упорного массива, содержащего поверхности ослабления, по которым данный массив может быть сдвинут, значение следует определять без учета характеристик tgи с по упорной грани по формуле

(17)

где Q – вес призмы выпора;

А – площадь поверхности сдвига призмы выпора;

– угол наклона поверхности сдвига (плоскости ослабления) призмы выпора к горизонту;

,– расчетные значения характеристик грунтов по поверхности сдвига (выпора);

– коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости от соотношения модулей деформации грунта упорного массива (обратной засыпки) Е_s и основания E_f :

при 0,8 = 0,7;

при 0,1 = ;

при 0,8 >> 0,1 определяется линейной интерполяцией;

Е_r – давление покоя, определяемое по формуле

E_r (18)

где – удельный вес грунта упорного массива;

v – коэффициент поперечной деформации грунта упорного массива;

h – высота упора на контакте с сооружением или откосом.

Примечания: 1. Сопротивление упорного массива следует учитывать только в случае обеспечения плотного контакта сооружения или откоса с упорным массивом,

2. Сила Е_p,d принимается горизонтальной независимо от наклона упорной грани массива.

3.17. При расчете устойчивости сооружений и скальных откосов (склонов) по схеме сдвига с поворотом в плане следует учитывать возможное уменьшение сопротивления сдвигу R против значений сил, устанавливаемых в предположении поступательного движения. При этом корректировку значений R допускается производить в соответствии с требованиями рекомендуемого приложения 6.

3.18. Расчеты устойчивости сооружений и скальных откосов (склонов) по схеме поперечного сдвига следует производить, как правило, расчленяя призму обрушения (сдвига) на взаимодействующие элементы.

Расчленение призмы обрушения (сдвига) на элементы производится в соответствии с характером поверхности сдвига, структурой скального массива призмы и распределением действующих на нее сил. В пределах каждого элемента по поверхности сдвига характеристики прочности скального грунта принимаются постоянными.

Выбор направлений расчленения призмы обрушения на элементы и расчетного метода следует производить с учетом геологического строения массива. При наличии пересекающих призму обрушения (сдвига) поверхностей ослабления, по которым возможно достижение предельного равновесия призмы, плоскости раздела между элементами следует располагать по этим поверхностям ослабления.

3.19. Расчеты устойчивости по схеме косого сдвига следует выполнять в тех случаях, когда направление смещения массива не совпадает с направлением ребра (ребер) пересечения плоскостей сдвига, например, при расчетах устойчивости береговых упоров арочных плотин и подобных массивов.

3.20. При расчетах устойчивости бетонных сооружений по схеме предельного поворота (опрокидывания) следует проверять возможность потери бетонным сооружением устойчивости вследствие нарушения прочности основания на смятие под низовой гранью сооружения при его повороте или наклоне, вызванном действием опрокидывающих сил. При этом необходимо выполнять условие

(19)

где М_t, М_r – суммы моментов сил, стремящихся опрокинуть и удержать сооружение, определяемые в соответствии с методом, изложенным в рекомендуемом приложении 4;

– коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;

– то же, что в формуле (3).

3.21. Для оценки устойчивости сооружений на скальных основаниях и скальных откосов, относимых к I классу, при сложных инженерно–геологических условиях в дополнение к расчету, как правило, следует проводить исследования на моделях.

4. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ ОСНОВАНИЙ

4.1. При проектировании основания гидротехнического сооружения необходимо обеспечивать фильтрационную прочность грунтов основания, устанавливать допустимые по технико–экономическим показателям фильтрационные расходы и противодавление фильтрующейся воды на подошву сооружения. При этом также надлежит определять:

форму свободной поверхности фильтрационного потока (депрессионной поверхности) и местоположения участков его высачивания;

распределение напора фильтрационного потока главным образом вдоль подземного контура сооружения, на участках его разгрузки и в местах сопряжения грунтов, отличающихся фильтрационными свойствами и структурой порового пространства;

фильтрационный расход на характерных участках основания;

силовое воздействие фильтрационного потока на массив грунта основания;

общую и местную фильтрационную прочность грунтов в основании, причем общую фильтрационную прочность следует оценивать лишь для нескальных грунтов основания, а местную – для всех классов грунтов.

4.2. Характеристики фильтрационного потока следует определять путем его моделирования на физических или математических фильтрационных моделях основания с использованием, как правило, моделей (схем) основания, отражающих геологическую структуру грунтового массива выделением наиболее характерных по водопроницаемости и суффозионной устойчивости грунтов областей, которые попадают в активную область фильтрационного потока. Границы этих областей следует определять предварительными расчетами, исходя из намеченных размеров и конфигурации подземного контура сооружения.

4.3. Критерием обеспечения общей фильтрационной прочности нескального основания является условие

, (20)

где – расчетное значение осредненного критического градиента напора, принимаемое по п. 2.12;

– коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый по п. 3.1.

Значение для оснований сооружений I и II классов следует определять по методу удлиненной контурной линии. В отдельных случаях значения допускается определять и другими приближенными методами.

4.4. Местную фильтрационную прочность нескального основания необходимо определять только в следующих областях основания:

в области выхода (разгрузки) фильтрационного потока из толщи основания в нижний бьеф, дренажное устройство и т. п.,

в прослойках суффозионно–неустойчивых грунтов;

в местах с большим падением напора фильтрационного потока, например, при обтекании подземных преград;

на участках контакта грунтов с существенно разными фильтрационными свойствами и структурой. Критерием обеспечения местной фильтрационной прочности нескального основания является условие

(21)

где– местный градиент напора в рассматриваемой области основания, определяемый методами, указанными в. п. 4.2;

– местный критический градиент напора, определяемый по п. 2.12.

4.5. Критериями обеспечения местной фильтрационной прочности скальных оснований являются условие (21), в котором заменяется на и условие

(22)

где – средняя скорость движения воды в трещинах массива основания;

– скорость фильтрации воды в массиве в направлении простирания выделенной системы трещин;

n_j – расчетная пустотность массива, определяемая наличием в нем полых трещин той же системы при доверительной вероятности их раскрытия 0,95;

– критическая скорость движения воды в трещинах, определяемая по п. 2.20;

– критический градиент напора в направлении простирания рассматриваемой системы трещин, определяемый по п. 2.20.

4.6. Проектирование подземного контура напорных сооружений должно выполняться в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05–84 и СНиП 2.06.06–85. При выборе системы дренажа и противофильтрационных устройств в основании проектируемого сооружения необходимо также учитывать условия его эксплуатации, инженерно–геологические условия и требования по охране окружающей среды в части подтопления, заболачивания прилегающей территории, активизации карстово–суффозионных процессов и т. п.

4.7. При проектировании противофильтрационной завесы в нескальном основании следует принимать следующие критические градиенты напора:

в инъекционной завесе в гравийных и галечниковых грунтах – 7,5; в песках крупных и средней крупности – 6,0 и в мелких песках – 4,0;

в завесе, сооружаемой способом „стена в грунте" в грунтах с коэффициентами фильтрации до 200 м/сут, в зависимости от материала и длительности ее эксплуатации – по табл. 6.

Таблица 6

4.8. При проектировании противофильтрационной (цементацион­ной) завесы в скальном основании следует принимать критический градиент напора в завесе в зависимости от удельного водопоглощения в пределах завесы q_с по табл. 7.

В случае, когда завеса (одна или в сочетании с другими противофильтрационными устройствами) также защищает от выщелачивания содержащиеся в основании растворимые грунты, допустимое удельное водопоглощение следует обосновывать расчетами и экспериментальными исследованиями.

Проницаемость противофильтрационной завесы должна быть ниже проницаемости грунта основания не менее чем в 10 раз.

Таблица 7

4.9. Для предотвращения выпора грунта на участках, где фильтрационный поток с градиентами напора, близкими к единице, выходит на поверхность основания, в проекте необходимо предусматривать проницаемую пригрузку или разгрузочный дренаж. Материал пригрузки должен подбираться по принципу обратного фильтра для защиты грунта основания от контактной суффозии.

Для изотропно–проницаемого и однородного основания необходимая толщина пригрузки (при отсутствии давления на нее сверху) определяется по формуле

(23)

где h – разность пьезометрических уровней для расчетной глубины z в толще основания и для поверхности грунта основания (z соответствует заглублению низового шпунта или зуба).

– удельный вес грунта и пригрузки с учетом взвешивающего действия воды;

– удельный вес воды;

– коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый по п. 3.1.

5. РАСЧЕТ МЕСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЙ

5.1. Расчет местной прочности скальных оснований гидротехнических сооружений следует производить для установления необходимости разработки мероприятий, предотвращающих возможное нарушение противофильтрационных устройств, для учета при разработке мероприятий по повышению прочности и устойчивости сооружений и для учета достижения предела местной прочности при расчетах напряженно–деформированного состояния сооружения и основания.

Расчет местной прочности следует производить по предельным состояниям второй группы только для оснований сооружений I класса при основном сочетании нагрузок.

5.2. Проверку местной прочности скальных оснований следует производить по расчетным площадкам:

а) совпадающим с плоскостями, пpиуpoченными к трещинам в массиве;

б) совпадающим с плоскостью, приуроченной к контакту сооружение – основание;

в) не совпадающим с плоскостями, приуроченными к трещинам и к контакту сооружение – основание.

5.3. Критериями обеспечения местной прочности по площадкам, указанным в подпунктах „а" и „б" п. 5.2, являются условия:

>; (24)

>1, (25)

где – отношение предельных касательных напряжений на расчетной площадке к эксплуатационным;

– соответственно нормальное и касательное напряжения на расчетной площадке, приуроченной к плоскости трещины (контакта), от нормативных нагрузок в расчетном сочетании (сжимающим напряжениям соответствует знак „плюс");

– соответственно максимальное и минимальное главные напряжения от тех же нагрузок;

– острый угол между расчетной площадкой, приуроченной к трещине (контакту), и направлением главного напряжения;

– расчетные характеристики для расчетных площадок, приуроченных к трещинам (контакту), определяемые в соответствии с требованиями п. 2.16;

– расчетное значение предела прочности массива скального грунта на одноосное растяжение, определяемое в соответствии с требованиями п. 2.14.

5.4. Критериями обеспечения местной прочности по площадкам, указанным в п. 5.2в, являются условия:

> (26)

>1, (27)

где – расчетные характеристики для расчетных площадок, не приуроченных к трещинам и контакту сооружение – основание, определяемые в соответствии с требованиями п. 2.16.

В случаях, если связь между касательными и нормальными напряжениями на расчетных площадках, не приуроченных к трещинам и контакту, при определении и и описывается единой линейной зависимостью с большой погрешностью, необходимо учитывать возможную нелинейность этой связи путем кусочно–линейной аппроксимации или использованием нелинейных зависимостей, например, в виде квадратичной параболы . При использовании квадратичной параболы вместо условия (27) должно выполняться условие

> 1. (28)

При этом параметры и должны определяться путем обработки экспериментальных данных методом наименьших среднеквадратичных отклонений.

6.5. Условия (24) и (26) следует выполнять во всех указанных в п. 5.1 случаях, а условия (25) и (27) (или (28)) – в этих же случаях, но только при < 0. Если > 0, то условия (25) и (27) (или (28)) следует выполнять лишь при оценках прочности основания, производимых при расчетах напряженно–деформированного состояния основания, и при разработке мероприятий по повышению прочности и устойчивости сооружения.

При оценке надежности противофильтрационных устройств (если < 0) проверка выполнения условия (25) для площадок, совпадающих с плоскостью завес, не производится.

При невыполнении условий местной прочности в пределах цементационной завесы должны быть выполнены фильтрационные расчеты в соответствии с требованиями разд. 4 с учетом изменений фильтрационного режима.

5.6. При определении напряжений ,,и в условиях (24) – (28) следует применять вычислительные и экспериментальные методы механики сплошной среды и геомеханики.

Допускается рассматривать основание совместно с сооружением как систему линейно–деформируемых тел, на контакте между которыми выполняются условия равновесия и равенства перемещений.

При обосновании допускается схематизация системы сооружение – основание, позволяющая решать плоскую задачу теории упругости применительно к одному или к нескольким плоским сечениям. При этом поверхность основания может быть принята плоской, а тело основания – однородным либо состоящим из некоторого числа однородных областей, либо имеющим непрерывно изменяющиеся характеристики. При необходимости следует учитывать естественный рельеф поверхности основания, пространственный характер работы системы сооружение – основание, а также детализировать распределение механических характеристик основания.

Если при определении напряжений (при указанных предпосылках) в некоторых областях основания одно (или несколько) из условий (24) – (28) не выполняется, то следует, как правило, производить уточнение решения задачи. Такое уточнение следует выполнять с использованием нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями или путем изменения геометрии сечения за счет исключения из рассмотрения указанных областей.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

6.1. Контактные напряжения (нормальные и касательные напряжения по контакту сооружение – основание) необходимо определять для использования их в расчетах прочности конструкций и сооружений, а также в расчетах оснований по несущей способности и деформациям.

При определении контактных напряжений необходимо учитывать конструктивные особенности сооружения, последовательность возведения и вид основания.

В целях уменьшения расчетных усилий в конструкциях или в элементах сооружения при проектировании следует рассматривать возможность создания оптимального распределения контактных напряжений, предусматривая устройство выступов на контактных поверхностях сооружений, уплотнение отдельных зон основания и соответствующую последовательность возведения сооружения.

Примечание. Напряжения на контакте грунта с ограждающими конструкциями определяются по СНиП II–55–79.

6.2.Для сооружений на скальных основаниях контактные напряжения следует определять методом внецентренного сжатия, а в необходимых случаях для сооружений I и II классов – по результатам расчетов напряженного состояния системы сооружение – основание с использованием методов механики сплошных сред.

Для сооружений на нескальных основаниях контактные напряжения следует определять в соответствии с требованиями пп. 6.3 –6.11.

6.3. При определении контактных напряжений для сооружений на нескальных основаниях следует учитывать показатель гибкости сооружения t_ft, определяемый:

а) при расчете сооружения по схеме плоской деформации:

в направлении длины сооружения

(29)

в направлении ширины сооружения

(30)

б) при расчете сооружения по схеме пространственной задачи

(31)

В формулах (29) – (31):

v, v₁ – коэффициенты Пуассона соответственно грунта основания и материала сооружения;

Е, E₁ – модули соответственно деформации грунта основания и упругости материала сооружения;

b, l – соответственно ширина и длина подошвы сооружения;

– моменты инерции расчетных сечений сооружения;

– ширина расчетного элемента по длине подошвы сооружения, принимаемая = 1 м;

D – цилиндрическая жесткость фундаментной плиты сооружения.

В случаях, когда коэффициент гибкости < 1, контактные напряжения следует определять как для абсолютно жестких сооружений. При > 1 (< 4b/l) контактные напряжения определяются с учетом гибкости сооружений.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ НА ОДНОРОДНЫХ НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

6.4. Для жестких сооружений I и II классов, рассчитываемых по схеме плоской деформации, нормальные контактные напряжения, как правило, следует определять методами механики сплошной среды (линейной или нелинейной теории упругости, теории пластичности). При обосновании эти напряжения для сооружений I и II классов допускается, а для сооружений III и IV классов следует определять методом внецентренного сжатия по рекомендуемому приложению 9 или методом коэффициента постели, а для песчаных оснований с относительной плотностью грунта – методом экспериментальных эпюр по обязательному приложению 10.

Примечания: 1. При применении методов теории упругости и теории пластичности допускается принимать основание в виде сжимаемого слоя конечной толщины, равной для песчаных грунтов 0,3b, для глинистых грунтов 0,5b (b – ширина подошвы сооружения). Толщину сжимаемого слоя допускается уточнять при наличии экспериментальных данных.

2. При получении на участке подошвы сооружения растягивающих контактных напряжении этот участок должен быть исключен из расчетной контактной поверхности, а на оставшейся части контактные напряжения должны быть пересчитаны.

6.5. Для расчетов прочности гидротехнических сооружений эпюры контактных напряжений следует определять по методам механики сплошной среды, внецентренного сжатия, коэффициента постели и экспериментальных эпюр. Если полученные при этом изгибающие моменты имеют разные знаки, то при расчетах моменты уменьшаются на 10% суммы их максимальных абсолютных значений, а если одинаковые знаки, то больший изгибающий момент уменьшается на 10% разности этих значений.

6.6. При определении контактных напряжений с учетом гибкости сооружений допускается применять метод коэффициента постели, а также решения упругих и упругопластических задач. При этом сооружение в зависимости от его схемы рассматривается как плоская или пространственная конструкция (балка, плита, рама и т. д.). Гибкость элементов конструкции следует определять с учетом возможности образования трещин в соответствии с требованиями СНиП II–56–77.

Примечания: 1.При расчете сложных пространственных сооружений (зданий ГЭС, голов шлюзов и др.) вместо решения пространственной задачи допускается использовать решения плоской задачи, рассматривая независимо два взаимно перпендикулярных направления.

2. Расчет сооружений в направлении их ширины при наличии в них участков различной гибкости следует производить с учетом ее переменности.

6.7. Касательные контактные напряжения, возникающие при действии сдвигающих сил, следует определять методами, указанными в п. 6.4.

При применении методов коэффициента постели и внецентренного сжатия касательные напряжения могут приниматься равномерно распределенными.

Касательные напряжения, обусловленные действием вертикальных сил, при расчетах прочности сооружений, как правило, не учитываются.

Примечание. При получении на учаcтке подошвы сооружения касательных напряжений, превышающих предельные , они должны быть приняты равными предельным, а на остальных участках они должны быть пересчитаны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ НА НЕОДНОРОДНЫХ НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

6.8. Нормальные контактные напряжения, действующие по подошве сооружений на неоднородных основаниях, определяются теми же методами, что и для однородных оснований, по указаниям п. 6.4. При использовании методов теории упругости и теории пластичности неоднородность грунтов учитывается назначением соответствующих расчетных характеристик деформируемости и прочности для различных областей основания.

При определении контактных напряжений методом внецентренного сжатия учет неоднородности основания следует производить в соответствии с требованиями пп. 6.9 и 6.10, а в случае использования методов коэффициента постели и экспериментальных эпюр – в соответствии с требованиями п. 6.11.

9. При неоднородных основаниях с вертикальными и крутопадающими слоями в расчетах контактных напряжений могут быть использованы:

а) методы механики сплошной среды, в том числе численные методы решения задач;

б) приближенные методы, в которых контактные напряжения следует принимать пропорциональными модулям деформации грунта каждого слоя в зависимости от их размеров и эксцентриситета приложения нагрузки с использованием методики, изложенной в обязательном приложении Б. В пределах каждого слоя распределение контактных напряжений принимается линейным.

6.10. При наличии в основании слоев переменной толщины или при наклонном залегании слоев в расчетах контактных напряжений используют:

а) методы механики сплошной среды, в том числе численные методы;

б) приближенные методы, основанные на приведении расчетной схемы основания со слоями переменной толщины или при наклонном залегании слоев к схеме условного основания с вертикально расположенными слоями.

При горизонтальном расположении слоев грунта постоянной толщины неоднородность основания может не учитываться.

6.11. При определении нормальных контактных напряжений методами экспериментальных эпюр и коэффициента постели учет неоднородности основания следует производить путем сложения ординат эпюр, определенных в предположении однородных оснований по пп. 6.4 и 6.6, с ординатами дополнительной эпюры.

Ординаты дополнительной эпюры следует принимать равными разности ординат эпюр, построенных по методу внецентренного сжатия для случаев неоднородного и однородного оснований.

7. РАСЧЕТ ПО ДЕФОРМАЦИЯМ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ И ПЛОТИН ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

7.1. Расчет оснований сооружений и плотин из грунтовых материалов по деформациям необходимо производить с целью выбора конструкций систем сооружение–основание, перемещения которых (осадки, горизонтальные перемещения, крены, повороты вокруг горизонтальной оси и пр.) ограничены пределами, гарантирующими нормальные условия эксплуатации сооружения в целом или его отдельных частей и обеспечивающими требуемую долговечность. При этом прочность и трещиностойкость конструкции должны быть подтверждены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

Расчет по деформациям должен производиться на основные сочетания нагрузок с учетом характера их действия в процессе строительства и эксплуатации сооружения (последовательности и скорости возведения сооружения, графика наполнения водохранилища и т.д.).

Перемещения оснований сооружений, происходящие в процессе строительства, допускается не учитывать, если они не влияют на эксплуатационную пригодность сооружения.

2. Расчет по деформациям производится исходя из условия

(32)

где S – совместная деформация основания и сооружения (осадки s, горизонтальные перемещения и, крены i, повороты вокруг вертикальной оси и др.), определяемая расчетом по указаниям пп. 7.7, 7.8.7.11–7.14;

S_u – предельное значение совместной деформации основания и сооружения, устанавливаемое по указаниям п. 7.3.

В случаях, оговоренных соответствующими нормами проектирования сооружений, допускается не производить проверку деформаций по формуле (32), если средние значения давления под подошвой не превышают расчетного сопротивления грунта основания R, определенного по СНиП 2.02.01–83 с учетом в необходимых случаях дополнительных коэффициентов условий работы.

7.3. Предельные значения совместной деформации основания и сооружения устанавливаются соответствующими нормами проектирования сооружений, правилами технической эксплуатации оборудования или заданием на проектирование исходя из необходимости соблюдения:

технологических требований к деформациям сооружения, включая требования к нормальной эксплуатации оборудования;

требований к прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций, включая общую устойчивость сооружения.

При назначении необходимо учитывать допускаемую разность перемещений секций и частей сооружений, не приводящую к нарушению нормальной работы межсекционных швов, возможность перелива воды через гребень плотины и нарушения нормальной эксплуатации связанных с сооружением коммуникаций и т. п.

7.4. Расчеты совместных деформаций следует производить для условий пространственной задачи. Для сооружений, длина которых превышает ширину более чем в 3 раза, расчеты допускается производить для условий плоской деформации. В случае, когда ширина сооружения превышает толщину сжимаемой толщи определенную по указаниям п. 7.9, в 2 раза и более, допускается расчет осадок производить для условий одномерной (компрессионной) задачи.

7.5. При расчете по деформациям следует определять для грунтов всех категорий конечные (стабилизированные) перемещения, соответствующие завершенному процессу деформирования грунтов основания, а для глинистых грунтов, – кроме того, значения нестабилизированных перемещении, соответствующих незавершенному процессу деформирования (при коэффициенте степени консолидации<4) и перемещений, обусловленных ползучестью грунтов основания.

Примечание. При сложном геологическом строении основания (наклонная слоистость, наличие линз, изменение характеристик деформируемости грунта по глубине и в плане и пр.), при неравномерном нагружении гибкого сооружения и в других случаях, усложняющих расчет, рекомендуется использовать численные методы решения (например, метод конечных элементов (МКЭ) ).

При расчете сооружений III и IV классов допускается осреднение характеристик деформируемости грунта.

7.6. При расчете деформаций основания с использованием расчетных схем, не учитывающих образование и развитие пластических деформаций, среднее давление под подошвой сооружения р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R определенного по указаниям СНиП 2.02.01–83.

РАСЧЕТ ОСАДОК СООРУЖЕНИЙ НА НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

7.7. Конечную осадку сооружений s, расположенных на нескальных основаниях, при среднем давлении под подошвой сооружений р, меньшем расчетного сопротивления грунта основания R, следует определять по методу послойного суммирования в пределах сжимаемого слоя Н_c (см. п. 7.9) по формуле

(33)

где – дополнительное вертикальное нормальное напряжение в середине i–го слоя на глубине z_i основания от нагрузок и пригрузок (соседние сооружения, обратные засыпки и пр.) по вертикали, проходящей через центр подошвы сооружения, определяемое в соответствии с указаниями обязательного приложения 11;

– напряжение в середине i–го слоя на глубине z от бытового давления на отметке подошвы фундамента;

– удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента;

h_i – толщина i–го слоя грунта;

– модуль деформации i–го слоя грунта, определяемый по первичной ветви компрессионной кривой в соответствии с указаниями обязательного приложения 3;

– модуль деформации i–го слоя грунта, определяемый аналогично по вторичной ветви компрессионной кривой;

п – число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания H_с.

b_0,1 - коэффициент, определяемый в соответствии с указаниями обязательного приложения 3.

Примечание. При определении осадки верха (а также засыпки пaзyx) сооружений следует учитывать кроме осадки основания (включающей осадку от нагрузки в пределах ширины сооружения и пригрузки на основание вне ее) осадку от уплотнения и самоуплотнения насыпного грунта в основании и теле сооружения, а также от суффозии, оттаивания мерзлых грунтов и пр., определяемые по СНиП 2.02.01.83 и нормам проектирования соответствующих сооружений.

7.8. При среднем давлении под подошвой сооружения р, большем расчетного сопротивления грунта основания R, осадку следует определять численными методами, учитывающими упругопластический характер деформирования грунтов, пространственное напряженное состояние, последовательность возведения сооружения. Для приближенных расчетов осадку допускается определять в соответствии с указаниями рекомендуемого приложения 12.

7.9. Расчетная глубина сжимаемого слоя основания Н_с определяется: при ширине подошвы сооружения 20 м – по СНиП 2.02.01–83; при b>20м – из условия равенства на нижней границе слоя вертикальных напряжений от внешней нагрузки половине вертикальных напряжений от собственного веса грунта с учетом фильтрационных сил и взвешивающего действия воды ниже уровня подземных вод. При расположении нижней границы слоя в грунте с < 5 МПа (50 кгс/см²) или при залегании такого грунта непосредственно ниже этой границы он включается в сжимаемую толщу. Нижнюю границу сжимаемого слоя в этом грунте следует определять исходя из условия .

7.10. Нестабилизированная осадка s_t к моменту времени t определяется по формуле

(34)

где U₁, U₂ – соответственно степень первичной и вторичной консолидации грунта;

– параметры ползучести грунта, которые, как правило, должны определяться по результатам компрессионных испытаний грунта по дренированной схеме;

s – конечная осадка, определяемая в соответствии с п. 7.7.

Степень первичной консолидации U₁ определяется по решениям одномерной, плоской или пространственной задач консолидации. Для сооружений III и IV классов допускается определять U₁ согласно рекомендуемому приложению 13. В случаях, когда поровое давление можно не учитывать, следует принимать U₁ = 1. Необходимость учета порового давления определяется согласно п. 3.13.

Степень вторичной консолидации U₂ определяется по решениям одномерной, плоской или пространственной задач с учетом свойств ползучести грунта. Для сооружений III и IV классов допускается определять U₂ по формуле

(35)

РАСЧЕТ КРЕНА СООРУЖЕНИЙ НА НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

7.11. Крен (наклон) сооружений следует определять от внецентренно приложенной нагрузки в пределах ширины сооружения, от пригрузки основания вне подошвы сооружения и от обжатия грунта засыпки в теле сооружения (для ячеистых конструкций без днища) при внецентренном приложении нагрузки.

7.12. Крен сооружений с прямоугольной подошвой, вызванный внецентренным приложением вертикальной нагрузки в пределах ширины сооружения, в случае однородного и горизонтально–слоистого основания без учета фильтрационных сил допускается определять:

а) в направлении большей стороны подошвы сооружения по формуле

(36)

б) в направлении меньшей стороны подошвы сооружения по формуле

(37)

где _b – углы крена сооружения;

– безразмерные коэффициенты, определяемые по черт. 3;

– моменты, действующие в вертикальной плоскости, параллельной соответственно большей и меньшей сторонам прямоугольной подошвы;

l, b – соответственно длина и ширина подошвы сооружения;

v, Е_m– коэффициент поперечной деформации и модуль деформации, определяемые в соответствии с обязательным приложением 3.

Черт. 3. Графики для определения коэффициентов К₁ и К₂

7.13. Определение крена сооружения от пригрузки основания вне подошвы сооружения следует производить по формуле

(38)

где – осадка краев подошвы сооружений А и В (черт. 4), определяемая по указаниям обязательного приложения 11 при и соответственно и ;

b – ширина сооружения;

2c – ширина полосы пригрузки.

Пригрузку допускается аппроксимировать прямоугольной, треугольной или трапецеидальной эпюрой в зависимости от формы засыпаемого котлована.

Черт. 4. Схема к определению крена сооружения от пригрузки