Фундаменты мелкого заложения c измененной геометрией опирания на основание

Фундаменты мелкого заложения c измененной геометрией опирания на основание // Известия вузов. Строительство. 2026. № 4. С. 5–16. DOI: 10.32683/0536105220268084516.

Введение

Повышение экономической эффективности строительства остается центральной задачей прикладных исследований. Это касается и фундаментостроения, где специалисты активно ищут пути снижения затрат на нулевой цикл через совершенствование конструкций, материалов и методов распределения нагрузок на грунт.

Современное фундаментостроение выделяет несколько способов создания эффективных конструкций фундаментов неглубокого заложения:

1. Модернизация тела фундамента (новые материалы; новые конструктивные решения, направленные на уменьшение внутренних напряжений фундамента).

2. Модернизация геометрии подошвы фундаментов (оптимизация способа взаимодействия системы основание–фундамент). Изменение подошвы фундамента как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости (в разрезе фундамента).

Используются разные методы оптимизации конструкции фундаментов. Так, в работах А.В. Глушкова [1] изучаются фундаменты со сложной геометрией плоской подошвы. Особое внимание уделяется так называемому «арочному эффекту», когда грунт, который находится за пределами контура фундамента, включается в работу сопоставимо с тем, который находится непосредственно под проекцией подошвы (рис. 1).

Оптимизация конструкций фундаментов неглубокого заложения рассматривается как зарубежными исследователями [2 и др.], так и российскими учеными. Примером могут служить фундаментыоболочки, предложенные Я.А. Пронозиным [3, 4].

В данной статье, посвященной вопросу оптимизации конструкции фундаментов изменением геометрии подошвы в разрезе, рассматриваются фундаменты мелкого заложения со ступенчатой подошвой. Исследуемые конструкции сравниваются с аналогами, имеющими плоскую подошву.

Предпосылки эффективности «ступенчатых» фундаментов:

1. Форма подошвы и распределение напряжений. Ступенчатая геометрия приближается к оптимальному контуру, минимизируя концентрацию напряжений (задача Н.М. Бородачева [5]). Это обеспечивает более равномерное давление на грунт.
2. Механика взаимодействия с основанием. Верхние консольные элементы создают дополнительное обжимающее усилие, усиливая трение по боковым поверхностям. В отличие от традиционных конструкций, где расширение к низу увеличивает давление от веса грунта, ступенчатая форма перераспределяет давление более рационально (рис. 2).
3. Пластические деформации и несущая способность. Большее количество угловых точек ступенчатой подошвы, являющихся зонами концентрации напряжений и развития пластических деформаций грунта, обеспечивает большее значение второго критического давления.
4. Pоль площади контакта. Увеличение поверхности соприкосновения с грунтом усиливает вклад сил сцепления и трения, что положительно влияет на несущую способность.
5. Модификация эпюр напряжений. Для абсолютно жесткого плоского штампа эпюра контактных напряжений существенно неравномерная (рис. 3, а), где по середине штампа напряжения значительно меньше, чем у краев.

Рассматривая упрощенную схему деформирования грунтового основания, можно пояснить более равномерное распределение напряжений в основании ступенчатого фундамента выражением

где ξ (Δh/hi) – относительная деформация (рис. 3);
E – модуль деформации.

Под ступенчатой подошвой выравниваются расстояния от ступеней до линии нулевых деформаций в грунте. В связи с этим грунт под ступенчатой подошвой испытывает напряжения более равномерно (рис. 3, б), и поэтому суммарно больше нагрузка, воспринимаемая фундаментом.

6. Устойчивость к внецентренному загружению. Совокупное воздействие бокового давления грунта и вертикального отпора создает равнодействующие силы под наклоном к оси нагружения. Это обеспечивает поддержание положения фундамента даже при локальной неравномерности отпора грунта, вызванного случайными эксцентриситетами или внецентренным нагружением.

Лабораторный эксперимент

Для верификации теоретических положений осуществлен ряд изысканий, включая лабораторные испытания уменьшенных копий ленточных [6] и столбчатых [7] фундаментов (рис. 4). Опыты проводились в Тюменском индустриальном университете, в лабораториях на базе кафедр «Строительное производство» и «Строительные конструкции». До проведения экспериментов природный грунт довели до необходимой консистенции и оценили его итоговые физико-механические свойства (табл. 1–4). Геометрия фундаментов со ступенчатой подошвой была назначена из условия, что нижняя ступень составляет 1/3 ширины верхней ступени, сход ступеней под углом 45°, плоские штампы по ширине соответствовали верхней ступени модифицированного фундамента.

Механические свойства грунта были определены с помощью компрессионных испытаний. По их результатам угол внутреннего трения составил

За основной критерий сопоставления моделей была принята их абсолютная осадка. По итогам экспериментов, при прочих равных условиях, значение осадки у фундаментов с измененной геометрией подошвы меньше аналогов с плоской подошвой примерно на 30 % (рис. 5), также ступенчатое основание показало значительно большую устойчивость к внецентренному нагружению, вызванному случайными эксцентриситетами.

Цифровое моделирование

Выполнено компьютерное моделирование в программной среде Plaxis 3D, направленное на оценку влияния геометрии ступеней и свойств грунта на деформационные характеристики исследуемых фундаментов [8, 9]. Использовались две модели грунта: Мора-Кулона и линейно-упругая модель. Основным критерием оценки являлась величина осадки фундаментов (табл. 5).

Результаты расчетов показали, что максимальная эффективность ступенчатых конструкций проявилась в связных грунтах. Для оснований, сложенных песчаными грунтами, оптимальный эффект достигнут при угле наклона ступеней приблизительно равном углу внутреннего трения грунтового основания. Также из результатов отчетливо виден намного более «разреженный» характер образования точек пластических деформаций под фундаментом со ступенчатой подошвой (рис. 6, табл. 6).

Эксперимент в натурных условиях

На завершающем этапе были организованы натурные испытания полноразмерных моделей, воспроизводящие реальные эксплуатационные условия. Участок под эксперимент выбирался исходя из грунтовых условий, чтобы основание было сложено слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами. Геометрические характеристики моделей, а также геологические условия представлены на рис. 7. Предварительно был отрыт котлован для удаления слоя насыпного грунта и заглубления фундаментов в проектные геологические слои. Глубина заложения моделей была принята из расчета сохранения материалоемкости ступенчатого фундамента по отношению к аналогу: измененный фундамент был заглублен на отметку –0,600 м от поверхности котлована (материалоемкость в грунте 0,28 м3), а стандартный – на отметку, соответствующую второй ступени фундамента –0,400 м (материалоемкость в грунте 0,4 м3). При этом контактная площадь с грунтом у измененного фундамента была больше, чем у аналога за счет геометрии.

Нагрузки прикладывались ступенями по 1000 кг (10 кН) через специальные крестовины и гидравлические домкраты. Для анализа осадок оснований использовались данные, полученные с помощью часовых индикаторов и реперных конструкций с опорными платформами. Замеры проводились через равные промежутки времени до достижения устойчивого состояния грунтового массива. Стабилизация считалась достигнутой при снижении скорости осадки до 0,1 мм в течение двух часов. Переход к следующему этапу нагружения осуществлялся только после подтверждения выполнения этого условия. Нагрузка на конечной стадии экспериментов составила 18 т (180 кН),

а сами испытания выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 20276.1–2020. Ступенчатые фундаменты мелкого заложения на последней ступени нагружения показали осадку 49,32 мм, что на 30,2 % меньше показателя плоского аналога 70,67 мм (рис. 8) [10].

Обсуждение. Предложенные фундаменты можно устраивать монолитными или в сборном исполнении; на естественном и искусственном основании; в готовых котлованах. Несмотря на кажущуюся сложность работ, прямые углы ступеней легко выкладываются опалубкой, а при соответствующем показателе текучести глинистого грунта, когда основание в состоянии удерживать вертикальные откосы, монолитные фундаменты можно бетонировать без опалубки на подготовленное основание. Отметим, что криволинейные формы основания делать гораздо сложнее. Трудоемкость по сравнению со стандартным решением незначительно возрастет, но положительный с технической точки зрения эффект компенсируют эти издержки.

Существуют негативные факторы, которые должны быть учтены в реальном строительстве. Как и для большинства фундаментов мелкого заложения – это силы морозного пучения. Стандартно подошву заглубляют ниже глубины промерзания грунта, поэтому для исключения морозного пучения при ступенчатой геометрии основания требуется заглубить на указанную отметку самую верхнюю ступень. В то же время необходимо отметить, что данный негативный фактор отсутствует в районах с теплым климатом, для зданий с отапливаемыми подвалами или в грунтовых условиях, сложенных непучинистыми грунтами.

Положительный эффект также был получен ранее предшественниками, изучавшими фундаменты с криволинейной выпуклой поверхностью опирания на основание [11–13]. Целью была выработка более простой конструкции, обладающей преимуществами перед фундаментами с криволинейной подошвой. Как и любой другой фундамент, так и фундамент со ступенчатой подошвой следует применять исходя из геологических и климатических условий, передаваемой нагрузки на основание, конструктивных особенностей здания.

Выводы

На всех этапах исследований модифицированные фундаменты со ступенчатой подошвой подтвердили превосходство над классическими решениями фундаментов с плоской подошвой. При равных нагрузках разница в осадках составила 30 %, что доказывает экономическую эффективность предложенных фундаментов [14]. Отдельно отмечена высокая устойчивость ступенчатых конструкций к возможным эксцентриситетам нагружения.

Список источников

1. Глушков A.B. Экспериментальные исследования оснований фундаментов с различной формой подошвы // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 21. С. 241.

2. Hong T., Teng J.G., Luo Y.F. Axisymmetric shells and plates on tensionless elastic foundations // International Journal of Solids and Structures. 1999. Vol. 36, no. 34. P. 5277–5300.

3. Пат. № 2393297 C1 Российская Федерация, МПК E02D 27/01. Фундамент / Я.А. Пронозин, О.С. Порошин, Р.В. Мельников; заявитель Тюменский государственный архитектурностроительный университет; № 2009116522/03; заявл. 29.04.2009; опубл. 27.06.2010.

4. Пронозин Я.A., Наумкина Œ.B., Eпифанцева Л.P., Гейдт Л.B. Расчетная модель взаимодействия ленточнооболочечных фундаментов с грунтовым основанием // Геотехника. 2016. № 6. С. 18–24.

5. Бородачев Н.М. Об управлении распределением реактивных давлений под подошвой фундамента // Сопротивление материалов и теория сооружений. Вып. 18. Киев: Будивельник, 1972. С. 8–11.

6. Бай B.Ф., Cохоян М.O. Исследование работы ленточных фундаментов со ступенчатой подошвой // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы Междунар. науч.техн. конф., Тюмень, 02–03 нояб. 2017 г. Т. 1. Тюмень: Тюмен. индустр. унт, 2017. С. 106–107.

7. Пат. на полезную модель № 238960 U1 Российская Федерация, МПК E02D 27/01, E02D 27/48. Фундамент мелкого заложения / В.С. Сафарян, В.Ф. Бай; заявл. 07.05.2025: опубл. 18.11.2025.

8. Мартюшева A.И. Моделирование деформаций основания под штампами с различной формой подошвы // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы Междунар. науч.техн. конф., Тюмень, 02–03 нояб. 2017 г. Т. 1. Тюмень: Тюмен. индустр. унт, 2017. С. 154–157.

9. Мартюшева A.И. Численное моделирование напряженнодеформированного состояния основания под подошвой ступенчатого штампа с различными геометрическими параметрами // Инженерный вестник Дона. 2024. № 9. С. 747–756.

10. Бай B.Ф., Cафарян B.C. Фундамент мелкого заложения с измененной формой подошвы // Жилищное строительство. 2024. № 3. С. 52–56.

11. Kраев A.Н. Экспериментальные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой // Научнотехнический вестник Поволжья. 2013. № 5. С. 221–224.

12. Tетиор A.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области. Свердловск: Сред.Урал. кн. издво, 1971. 179 c.

13. Kрутов B.И., Cорочан E.A., Kовалев B.A. Фундаменты мелкого заложения. М.: Издво АСВ, 2008. 232 с.

14. Грицук М.C. Рациональные конструкции плит для ленточных фундаментов: Дис. … дра техн. наук. Брест, 1998. 283 с.

Информация об авторах

В.Ф. Бай – кандидат технических наук, доцент

В.С. Сафарян – старший преподаватель, safaryanv@yandex.ru.