Исследование усадок плитных фундаментов многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах

Масленников Н. А., Новожилова А. В. Исследование усадок плитных фундаментов многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах // «ИННОВАЦИИ И ИНВЕСТИЦИИ» № 2, 2024

Введение

Одной из актуальных проблем градостроительства России в настоящее время является возведение высотных зданий в условиях очень плотной застройки [1]. Учитывая требования действующего земельного законодательства РФ относительно рационального использования земель, возведение новостроек планируют, прежде всего, на непригодных для сельского хозяйства участках с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями [2]. Это в свою очередь актуализирует потребность использования для застройки площадок, которые сложены слабыми водонасыщенными грунтами.

Такое строительство требует больших затрат ресурсов и средств. Возведение высотного сооружения на слабом грунте представляет собой серьезную геотехническую задачу. Мягкая почва склонна к чрезмерному оседанию, уплотнению и разрушению при сдвиге под тяжелыми нагрузками высотного здания. Поэтому выбор и проектирование подходящего фундамента для такого проекта требует тщательного исследования площадки, тестирования почвы и инженерного анализа. Соответственно потребность в снижении этих затрат приводит к все более широкому внедрению новых эффективных конструкций фундаментов.

Прежде чем выбрать тип фундамента, необходимо провести тщательное исследование участка, чтобы определить профиль, стратиграфию и свойства грунта. Для этого необходимо пробурить скважины, взять образцы грунта и провести натурные испытания, такие как стандартное испытание на проникновение, конусное испытание на проникновение или испытание с помощью манометра. Данные исследования участка помогут определить слои грунта, их толщину, глубину и изменчивость, а также их прочность, жесткость, сжимаемость и проницаемость [3].

Таким образом, возможность применения при строительстве многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах плитных фундаментов должна быть подтверждена расчетами с научнотехническим обоснованием принятой модели грунтового основания и его параметров. Одним из важнейших аспектов проектирования фундаментов для высотных зданий на мягких грунтах является анализ их усадки, отдельное внимание должно быть уделено всестороннему учету характерных особенностей совместной работы фундаментной плиты и неравномернодеформированной основы. Это в свою очередь предопределяет необходимость проведения дополнительных исследований в данном направлении, что и обуславливает выбор темы статьи.

Особенности расчетов оседаний плитных фундаментов различных зданий с использованием аналитических методов (послойного суммирования и линейно деформированного слоя), а также моделированием методом конечных элементов нашли свое отражение в трудах Калача Ф.Н. [4], Горбунова И.А. [5], Знаменского В.В. [6], Сайеда Д.А. [7], Прокудина И.С. [8], Шенкмана Р.И. [9].

Изучению боковых силы, создаваемых ветровой нагрузкой, и, как следствие, моментам, действующим на систему фундамента высотного здания уделялось внимание Алаевым А.С. [10], Сахаровым И.И., Буреимой С. [11], Филимоновым Д.С. [12].

Над разработкой методики, которая позволит учитывать влияние циклической вертикальной и боковой нагрузки на систему фундамента, что в совокупности может вызвать повышенную усадку трудятся Будикова А.М., Байманов Т.О. [13], Железняков В.А. [14], Никифорова Н.С., Нгуен В.Х. [15], Бочкарева Т.М. [16].

Высоко оценивая имеющиеся на сегодняшний день работы, необходимо отметить, что вопросы достоверности различных подходов к определению величин модуля деформации слабых грунтов остаются открытыми. Также отдельного внимания заслуживают проблемы уменьшения общей и неравномерной просадки сооружений с большими нагрузками при проектировании.

Цель статьи – провести исследование усадок плитных фундаментов многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах.

Методы: техническая диагностика, информационное и экспериментальное моделирование параметров технического состояния многоэтажных зданий, методы математической статистики, методы теории надежности, механика деформированного твердого тела и механика разрушения.

Результаты. Усадка — это вертикальное смещение фундамента под действием приложенной нагрузки и деформации грунта. Чрезмерная усадка может привести к структурным повреждениям, функциональным нарушениям или эстетическим проблемам здания. Анализ усадки включает в себя оценку мгновенной, консолидационной и вторичной усадки фундамента и сравнение их с допустимыми пределами. В процессе оценки также необходимо учитывать дифференциальную усадку, которая представляет собой неравномерную усадку различных частей фундамента, и угловое искажение, которое выражается в изменении наклона фундамента.

Характеристики фундаментных плит при статических нагрузках строго зависят от изгибной жесткости плиты (например, толщины плиты) и механических свойств грунта. Последние на практике учитываются проектировщиками с помощью упрощенных методов. Наиболее часто используется модель Винклера, которая учитывает только эквивалентную упругость грунта при наличии вертикальных смещений, перпендикулярных средней плоскости перекрытия.

Как известно, поведение фундаментной плиты при усадке в основном связано с межфазным трением между плитой и несущим основанием [16]. Следует отметить, что это местное трение может быть описано с помощью соответствующего критерия сопротивления (например, Мора-Кулона или Друкера-Прагера), а также благодаря использованию адекватной зависимости трения от напряжения и проскальзывания, которая определяет явление с кинематической точки зрения.

В ряде экспериментальных исследований было установлено, что развитие напряжений межфазного трения и проскальзывания у основания плиты может быть описано билинейной функцией (как показано на рис. 1).

Установлено, что напряжения трения сдвига почти линейно возрастают до определенного значения (δ0, τ0) с увеличением проскальзывания плиты, после чего напряжения развиваются по идеальнопластической постоянной траектории.

Расчет плитных фундаментов сводится к определению прогибов плиты, а также изгибающих моментов и внутренних усилий [18]. Действующие нормативы предусматривают радиусообразное (радиус кривизны R) искривление земной поверхности от воздействия подработки.

Плита лежит на упругом основании и вдавливается под действием нагрузки. При искривлении основания возникают дополнительные вертикальные перемещения плиты, зависящие от величины и характера искривления. Полные перемещения точек плиты можно представить в виде суммы:

где w(r,θ) вертикальные перемещения точек плиты от действия нагрузки на плиту;
η(r,θ) вертикальные перемещения плиты от искривления поверхности земли.

Согласно [19] расчетное оседание любой точки основания, вызванное кривизной земной поверхности, необходимо определять по формуле:

где nK и mK - коэффициенты перегрузки и условий работы, которые принимаются по соответствующим таблицам;
R - ожидаемый радиус искривления земной поверхности;
х- расстояние от рассматриваемой точки до центра искривления.

Модель мульды оседания имеет следующий вид [20]:

где 𝜂max - максимальная осадка;
l - расстояние от точки максимальной осадки до точки перегиба кривой осадки;
z=x/L; L=2,13l – полумульда.

Если все эквивалентные плиты фундамента идентичны, то общая осадка плиты i - Si, после заложения ряда (n) смежных плит равна сумме осадок плиты i под собственной нагрузкой S0, плюс дополнительные осадки от каждой из смежных плит, т.е. [20]:

где S0 - нагрузка на плиту i под собственной нагрузкой; Pj - нагрузка на плиту j; Ki - прочность плиты j; αij - коэффициент взаимодействия для расстояния между центром плиты j и точкой A на плите i.

Коэффициент взаимодействия α может быть рассчитан с помощью анализа граничных элементов. В качестве альтернативы его можно также оценить на основе осесимметричного анализа плоских элементов, используя следующее приближение:

где S - осадка грунта на расстоянии r от нагруженной плиты, на ее средней глубине; S0 - осадка плиты под собственной нагрузкой; D – толщина плиты.

Обсуждение. Моделирование и расчеты системы основы-фундамент-сооружения выполнено в программном комплексе SOFiSTiK. Модель грунтового основания принята в виде линейно-деформированного слоя конечной ширины. Фундаментная плита смоделирована пластинчатыми оболочковыми элементами. Колонны моделировались пространственными стержнями; плиты перекрытия, стены и пилоны представлены пластинчатыми оболочковыми элементами.

Деформированная схема фундаментов двухсекционного здания при загрузке грунтового основания сразу двумя секциями (мгновенно-упругое решение) с общей сжимаемой толщей Нс = 18.0 м при р = 230,02 кПа (семнадцать сводных этажей) приведена на рисунке 1.

Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение модели грунтового основания в виде линейнодеформированного слоя конечной ширины для расчета и проектирования фундаментов на слабых водонасыщенных грунтах позволяет составить прогноз адекватных деформаций высотных, секционных зданий.

Литература

1. Сойту Н.Ю., Алейникова М.А. Определение параметров оседаний фундаментов при изменении коэффициента жесткости основы // Инновации и инвестиции. 2023. № 1. С. 200203.

2. Тарадай Д.В., Ленёв С.Н. Внедрение системы контроля деформации фундамента ГТУ AE64.3А ТЭЦ9 ПАО «Мосэнерго» // Электрические станции. 2023. № 6 (1103). С. 1217.

3. Александровский М.В. Изготовление нестандартных узлов при проектировании зданий и сооружений // Экономика строительства. 2022. № 4 (76). С. 5767.

4. Калач Ф.Н. Оценка эффективности использования технологии инъекционного укрепления слабых грунтов в основании фундаментов мелкого заложения саморасширяющимися растворами // Construction and Geotechnics. 2020. Т. 11. № 2. С. 6277.

5. Горбунов И.А. Анализ влияния струйной цементации слабых грунтов на напряженнодеформированное состояние основания фундамента // Научнотехническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2022. С. 426431.

6. Знаменский В.В. Результаты исследования работы фундаментов на щебеночных сваях в слабом глинистом грунте // Инновации и инвестиции. 2022. № 8. С. 9499.

7. Сайед Д.А. Прогнозирование осадки фундамента на щебеночных сваях в слабых глинистых грунтах // Экономика строительства. 2022. № 9. С. 8895.

8. Прокудин И.С. Применение плитного фундамента в малоэтажном строительстве на слабых грунтах // Точная наука. 2023. № 140. С. 1517.

9. Шенкман Р.И. Метод расчета осадок фундаментов на основании, улучшенном с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов // Construction and Geotechnics. 2020. № 3. Т. 11. С. 6476.

10. Алаев А.С. Исследование работы конструкций фундамента при строительстве на торфяном грунте // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2022. Т. 1. С. 184187.

11. Сахаров И.И., Буреима С. Фундаменты многоэтажных зданий в типичных грунтовых условиях африканского континента // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 3 (92). С. 72-79

12. Филимонов Д.С. Современные методы повышения сейсмостойкости фундаментов в сложных грунтовых условиях при новом строительстве // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2022. № 12 (1060). С. 2023.

13. Будикова А.М., Байманов Т.О. Анализ инженерногеологических исследований площадок, сложенных слабыми глинистыми грунтами // Вестник науки и образования. 2020. № 72 (85). С. 1115.

14. Железняков В.А. Закрепление слабых водонасыщенных грунтов на примере жилого дома в г. Таганрог // Инженерный вестник Дона. 2021. № 3 (75). С. 335342.

15. Никифорова Н.С., Нгуен В.Х. Расчет осадок зданий в зоне влияния глубоких котлованов при сейсмических воздействиях // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2021. № 6. C.712

16. Бочкарева Т.М. Исследование степени влияния мощности грунтового основания и глубины заложения слоя слабонесущего грунта под ним на общую величину осадки // Master's Journal. 2020. № 1. С. 173181.

17. Гончаров А.А. Исключение неравномерных осадок при возведении зданий в сложных гидрогеологических условиях // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 1. С. 48527.

18. Гребенников И.О. Особенности проектирования усиления грунтовых оснований зданий и сооружений армированием грунтоцементными колоннами // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 2 (61). С. 123-130

19. Попов Д.П. Моделирование предлагаемой конструкции опорного блока ленточного фундамента для работы в просадочных грунтах // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2021. Т. 2. С. 4247.

20. Демьяненко В.И. Осадка слабого основания под песчаной подушкой, вмещающей фундамент конечной ширины // Жилищное строительство. 2020. № 9. С. 2026.