Основы проектирования и контроля состояния фундаментов и опор

При изготовлении и приемке новых фундаментов под оборудование, а также при анализе возможности использования фундаментов, на которых ранее (например, до реконструкции цеха) уже было установлено оборудование, которое подлежит замене или модернизации, может возникнуть необходимость в проверке их соответствия определенным требованиям: допустимым геометрическим, высотным отклонениям их элементов; устойчивости к опрокидыванию и скольжению; устойчивости против резонанса и вибрации (рис. 1.1.).

При проектировании фундаментов определяют их размеры в плане (опорную площадь основания), координаты расположения колодцев под анкерные болты, уступов, каналов и т.п. под конструктивные элементы оборудования, трубопроводы и др., общую высоту и высоту заглубления фундамента в грунте.

Опорную площадь основания фундамента определяют предварительно с учетом размеров оборудования в плане и окончательно - с учетом нагрузки на грунт и категории грунта.

Соответствие опорной площади основания нового или существующего фундамента F общей нагрузке на грунт, равной [ 3 ]

G=G_ф +Gо+G_M=G_O(1+K)+G_M (1.1)

проверяется по зависимости:

F ³ G/р, (1.2)

где G, G_Ф, G_O, G_M - соответственно, общая нагрузка на грунт, вес фундамента, оборудования, материалов и сырья; К - коэффициент соотношения весов фундамента и оборудования, принимаемый равным 0,6-1,5 для оборудования со статической и 2,0-3,0 - с динамической нагрузкой; р - допускаемое удельное давление на грунт, определяемое по таблице 1.2. [ 4 ].

Рис. 1.1. Расчетная схема монолитного фундамента

Таблица 1.2. Допускаемое давление на грунт

Вид грунта	Допускаемое давление на грунт р, МПа (кгс/см2)
Песок мелкий сухой плотный	0,35 (3,5)
Песок мелкий влажный плотный	0.2-0,3 (2-3)
Супесок сухой средней плотности	0,2 (2,0)
Супесок влажный средней плотности	0,15 (1.5)
Глина в пластическом состоянии	0,1-0,25 (1,0-2.5)

Соответствие действительной высоты фундамента (h_д) требуемой (h_Т) проверяют путем их сравнения, причем последнюю определяют по формуле:

h_Т = G_Ф/Fg ³ h_д, (1.3.)

где g - удельный вес материала фундамента; G_Ф=G_O × К - согласно формуле (1.1).

Проверка фундаментов на устойчивость выполняется путем сравнения расчетного К_УР и допустимого К_УД коэффициентов устойчивости, т.е.

К_УР ³ К_УД. (1.4.)

При этом значение К_УД ³ 1,8 -2,0.

Расчетный коэффициент устойчивости определяется по выражению [3]

К_{ур =} , (1.5)

где М_ук, М_ok - соответственно моменты устойчивости и опрокидывания фундамента относительно его k-го ребра (рис. 1.1), равные

М_ук = 0,5 (SP_z + G_ф); (1.6)

М_ok = М_j + SP_j × h, (1.7)

где - длина ребра m, перпендикулярного k-му ребру; SP_z, SP_i соответственно, суммарные усилия, воспринимаемые фундаментом со стороны оборудования в направлении вертикальной оси Z и оси, перпендикулярной k-му ребру фундамента; М_J - крутящий момент, действующий на фундамент со стороны оборудования относительно оси, параллельной k-му ребру.

Проверку фундамента против скольжения определяют путем сопоставления силы Р_УД, удерживающей его от скольжения по грунту, и силы Р_СД, стремящейся сдвинуть его, по условию:

Р_уд ³Р_сд × К_сд, (1.8.)

где К_сд - коэффициент запаса на сдвиг фундамента, принимаемый в пределах 2,0-2,5; Р_уд - сила, удерживающая фундамент от скольжения, равная:

Р_уд = (SP_z + G_ф) צ, (1.9.)

где P_z - сила, сдвигающая фундамент, равная равнодействующей всех усилий, действующих в плоскостях, параллельных плоскости сдвига; ¦- коэффициент трения подошвы фундамента по грунту, принимаемый для сухого грунта равным 0,5, для мокрого - 0,3, а при наличии вибрации фундамента - 0,2.

Устойчивость фундаментов против резонанса проверяется путем расчета и сопоставления частот колебаний, возбуждаемых оборудованием (вынужденных колебаний) ¦_в и частот собственных колебаний ¦_с станины, фундамента и грунта, на котором он установлен. Частоты вынужденных и собственных колебаний должны отличаться более, чем в 2,5 раза [ 5 ].

С целью снижения величины и частоты динамических сил, передаваемых виброактивной системой (машиной) на другую, защищаемую от вибрации систему, оборудование подлежит виброизоляции посредством виброизоляторов. На практике получили распространение следующие виброизоляторы:

а) в виде отдельных опор: пружинные виброизоляторы, основным рабочим элементом которых являются одна или несколько стальных винтовых цилиндрических или конических пружин (параллельно с пружинами иногда устанавливают демпферы колебаний); резиновые или резинометаллические виброизоляторы, основным рабочим элементом которых является резиновое тело, нередко имеющее сложную форму; пневматические виброизоляторы, обычно регулируемые; виброизоляторы из тонкой прессованной стальной проволоки (“металлическая резина”);

б) в виде слоя упругого материала, укладываемого между машиной и фундаментом;

в) в виде пола на упругом основании - обычно применяется при установке оборудования на перекрытиях зданий.

Для оценки эффективности виброизоляции используются различные критерии, наиболее важный из которых называют виброизоляцией (ВИ). Для гармонического процесса колебаний этот критерий определяется соотношением [5]:

ВИ = 10 lg, (1.10)

В выражении (1.10) V_фж и V_фв представляют собой: при установке машины на виброизоляторах - амплитуды колебательной скорости фундамента машины в характерных точках (или усредненные по нему) соответственно при жестком креплении машины и через виброизоляторы; при применении пола на упругом основании - средние значения колебательной скорости несущей плиты перекрытия при жестком креплении машины к ней и при жесткой установке машины на полу на упругом основании; при одновременном применении пола на упругом основании и виброизоляторов - средние значения колебательной скорости несущей плиты перекрытия при жестком креплении машины к ней и после установки машины на виброизоляторах и полу на упругом основании.

При “абсолютно жестком” фундаменте, когда V_фв=V_фж=0, виброизоляцию определяют также соотношением:

ВИ = 10 lg , (1.11)

где F_фж и F_фв - амплитуды динамических сил, передаваемых на фундамент при жесткой и виброизолированной установке машины на него.

Используют также методы расчета, а затем сравнения, критерия виброизоляции через импедансы машины, фундамента, виброизоляции и характеристические коэффициенты четырехполюсника (машины, виброизоляторы, элементы, представимые массами рассматриваются как механические четырехполюсники) [ 5 ].

Размеры колодцев (отверстий) под фундаментные (анкерные) болты должны соответствовать типу болтов и условию их прочного закрепления в фундаменте. При определении глубины колодца можно руководствоваться следующими данными [ 2 ]: нижняя точка болта должна находится от подошвы фундамента на расстоянии не менее 100-150 мм; глубина заделки в бетон болта прямого примерно должна быть равной 20-30 его диаметрам, болта изогнутого (с крюком на конце) равной 15-20 диаметрам, съемного болта с анкерными плитами - (400-500) мм.

Перед началом монтажа фундаменты должны отвечать определенным требованиям, нормам точности.

Сдачу (приемку) стройготовности фундаментов, эстакад и т.п. под монтаж осуществляют в соответствии с правилами СНиП 3.05.05-84 “Технологическое оборудование и технологические трубопроводы”, а также в соответствии с требованиями СНиП 3.01.03-84 “Геодезические работы в строительстве”.

Так, фундаменты под оборудование, устанавливаемое без последующей подливки раствором, должны сооружаться на полную проектную отметку и сдаваться под монтаж с выверенной поверхностью, а с подливкой раствором - на 50-80 мм ниже проектной отметки опорной поверхности или выступающей части монтируемых изделий.

Допустимые отклонения элементов фундаментов от проектных значений представлены в табл. 1.3 -1.5.

Таблица 1.3.

Допустимые отклонения элементов монтажных бетонных и железобетонных фундаментов, мм

Наименование показателя, отклонения	Допуск
Верхних поверхностей от горизонтали на всю плоскость	± 20
Местные отклонения бетонной поверхности от проектного положения при проверке рейкой длиной 2 м, кроме опорных поверхностей	± 5
Вертикальных поверхностей от вертикали и линий их пересечения по всей высоте	± 20
Высотных отметок закладных частей, служащих опорами для колонн или сборных элементов	± 5
Осей фундаментных болтов, расположенных: внутри контура опоры монтируемого элемента вне контура опоры монтируемого элемента
Высотных отметок верхних торцов забетонированных фундаментных болтов	+20

Таблица 1.4.

Допустимые отклонения элементов сборных железобетонных фундаментов и оснований, мм

Наименование показателя, отклонения	Допуск
Высотных отметок верхних опорных поверхностей элементов фундаментов от проектных	-10
Высотных отметок дна стаканов фундаментов от проектных	-20
Осей фундаментных болтов и стаканов фундаментов относительно разбивочных осей

Таблица 1.5.

Допустимые отклонения элементов фундаментов под технологические металлоконструкции и положения анкерных болтов, мм

Наименование показателя, отклонения	Допуск
Установочных поверхностей на фундаменте, возведенном до проектной отметки: по высоте по уклону на 1 м	±5
Верхней поверхности выверенной и подлитой стальной плиты: по высоте по уклону на 1,5 м	±1,5
Осей фундаментных болтов, расположенных: внутри контура опоры монтируемого элемента вне контура опоры монтируемого элемента
Высотных отметок торцов фундаментных болтов	+20
Длины резьбы фундаментных болтов	+30

При проектировании трассы трубопроводов рассчитывают расстояния между опорами под трубопроводы. При этом трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как неразрезанная балка, максимальный изгибающий момент (М) которой определяется по выражению

М= , (1.12)

где q - удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, учитывающая вес самого трубопровода, транспортируемой среды и термоизоляции, Н/мм; - расстояние между опорами, мм.

Подставляя в уравнение прочности при изгибе трубы значение изгибающего момента (1.12), определяют максимальное расстояние между опорами:

= , мм, (1.13)

где W - момент сопротивления поперечного сечения трубы, мм³; [s]_изг - допускаемое напряжение на изгиб от собственного веса ([s]_изг £ 50 Н/мм² для стальных труб).