Моделирование работы грунтового основания фундамента здания вблизи глубокого котлована

Мирсаяпов И.Т., Айсин Н.Н. Моделирование работы грунтового основания фундамента здания вблизи глубокого котлована // Строительство: наука и образование. 2025. Т. 15. Вып. 1. Ст. 11. URL: http://nso- journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2025.1.11

ВВЕДЕНИЕ

Уплотнение городской застройки вызывает необходимость в строительстве зданий с развитым подземным объемом. При этом на бровке глубокого котлована находятся фундаменты существующих зданий. Оценка влияния строительства глубоких фундаментов на окружающую застройку — актуальная задача.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтового основания фундамента зданий вблизи бортов котлована является чрезвычайно сложным. В таком основании происходит деформирование грунта в зависимости от воздействия деформации ограждающей конструкции котлована, дефектов и повреждений в грунте, возникающих в процессе устройства ограждающей конструкции, и экскавация грунта из котлована [1]. Значительное влияние оказывает также расстояние от фундамента здания до ограждающей конструкции котлована, вид и жесткость фундаментной конструкции и здания в целом, суммарная нагрузка от здания на грунтовое основание.

В работе Jiang и соавт. [2] отмечается, что при откопке котлована глубиной 18 м максимальные осадки поверхности грунта наблюдались на расстоянии 8 м и равнялись 9,5 мм при максимальном смещении ограждения котлована на 13,9 мм. При этом коэффициент, характеризующий максимальную осадку за пределами котлована smax, отнесенную к глубине котлована H, равен f1 = smax/H · 100 % = 0,05 %. В исследованиях Dong и соавт. [3] при глубине котлована 12 м максимальные осадки точки на расстоянии 10 м от края котлована на поверхности равны 7,5 мм, горизонтальные перемещения — 5,6 мм при максимальном смещении стенки 14 мм. При этом f1 = 0,075 %.

Результаты мониторинга, приведенные в труде Н.С. Никифоровой [4], показывают, что вблизи котлована на объекте ТРК «Охотный ряд» в г. Москве максимальные осадки достигали значений 13 мм при глубине котлована 16 м. Горизонтальные перемещения этой же точки составляли 10 мм. При этом f1 = 0,2 %.

В исследованиях З.Г. Тер-Мартиросяна и соавт. [5] максимальная осадка фундамента вблизи глубокого котлована при недеформируемом ограждении равна 44 мм при глубине котлована 15 м. При этом f1 = 0,29 %. В публикации М.Г. Зерцалова и соавт. [6] при глубине котлована 9 м максимальная осадка поверхности грунта на расстоянии 0,5 от края котлована составляла 16 мм, тогда f1 = 0,18 %. Однако коэффициент f1 находится в пределах от 0,1 до 10,1 % и в среднем составляет 1,1 % [7].

Согласно работе Н.С. Никифоровой и соавт. [8], в инженерно-геологических условиях г. Москвы для снижения дополнительных осадок фундаментов зданий окружающей застройки до нормативных недостаточно применения отсечного экрана без дополнительных мероприятий. В других исследованиях (В.А. Ильичев и соавт. [9, 10], Н.С. Никифорова и соавт. [11], В.Я. Шишкин и соавт. [12]) при строительстве в котлованах глубиной 10–20 м в условиях Москвы и Санкт-Петербурга отсечные экраны, выполненные из буроинъекционных свай, не всегда обеспечивали достаточную защиту грунтов оснований зданий окружающей застройки [13].

Объект исследования — основания фундаментов зданий вблизи глубоких котлованов на глинистых грунтах. Предмет исследования — НДС глинистых грунтов в основании фундаментов зданий, расположенных на бровке котлована. Цель исследования — моделирование деформирования основания фундамента здания, расположенного на бровке котлована, для оценки дополнительных осадок оснований фундаментов. Задачи исследования:

• анализ состояния вопроса в научной литературе;

• моделирование в лабораторных условиях НДС глинистых грунтов в основании фундаментов зданий на бровке котлована;

• обработка результатов исследований;

• разработка методики расчета осадок оснований с учетом изменения НДС грунта основания фундамента здания вблизи глубокого котлована.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

При определении деформаций (вертикальных и горизонтальных) грунта оснований фундаментов зданий, расположенных на бровке котлована, в основном рассматривается теория Кулона. Она основана на ряде допущений:

1. Система рассматривается в состоянии предельного равновесия (рис. 1), т.е. в тот момент, когда начинается перемещение стены и оползание призмы разрушения.

2. Призма обрушения оползает по прямолинейной плоскости скольжения по грунту и задней поверхности ограждающей конструкции.

3. Призма обрушения принимается абсолютно твердым телом.

4. В классической теории Кулона рассмотрен только насыпной грунт.

При деформациях ограждающей конструкции давление перераспределяется, уменьшаясь в зоне максимальных перемещений, возрастает в месте устройства анкерной опоры, а также ниже дна котлована.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что грунт в пределах призмы обрушения деформируется, возникают горизонтальные и вертикальные деформации. Для установления закономерности деформирования грунта в пределах призмы обрушения проведены численные и экспериментальные исследования.

Моделирование основания проводилось в плоском лотке с прозрачными вертикальными стенками АСИС 0.7.1. производства НПП «Геотек». Схема испытания приведена на рис. 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выполненные экспериментальные и численные исследования поведения грунтового основания фундаментов здания, расположенных на бровке котлована, показывают неравномерность распределения горизонтальных напряжений и деформаций, а также вертикальных деформаций (осадок) на участке между котлованом и фундаментом здания в зависимости от жесткости ограждающей конструкции (рис. 3).

Максимальная величина вертикальных и горизонтальных перемещений наблюдается у ограждающей конструкции, и они равняются друг другу. Затем по мере удаления от бровки котлована уменьшаются как горизонтальные, так и вертикальные перемещения. На рис. 4, 5 представлены графики развития вертикальных перемещений (осадок), горизонтальных перемещений, полученные с помощью экспериментальных и численных исследований.

Анализ полученных результатов позволяет установить закономерности изменения ключевых параметров НДС грунтового основания фундаментов здания, расположенного на бровке котлована.

На основании приведенных графиков можно заключить, что происходит уменьшение горизонтальных напряжений и, как следствие, коэффициента бокового давления грунта в пределах рассматриваемого массива. Следовательно, в зоне влияния котлована отмечается уменьшение прочности и модуля деформации грунта и увеличение вертикальных деформаций грунта и, как следствие, общих осадок с учетом влияния сдвиговых и вертикальных деформаций.

Для установления дополнительных горизонтальных перемещений грунта в пределах призмы активного давления грунта поступаем следующим образом:

1. Определяются краевые значения горизонтальных перемещений у ограждения котлована ∆ (рис. 6):

где Δ2 — смещение сечения стены у дна котлована; Δ3 — смещение, образующееся вследствие поворота сечения стены у дна котлована; Δ1 — прогиб стены на участке свободной длины, при трапецеидальной эпюре нагрузки при глубине котлована H с верхней ординатой эпюры σah1 и нижней σah2 при жесткости ограждения EI равен:

2. Исходя из графиков, приведенных на рис. 4, устанавливаются дополнительные значения горизонтальных перемещений между котлованом и фундаментом.

3. На основе результатов экспериментальных исследований выявляется неравномерность распределения абсолютных горизонтальных перемещений Δxi и относительных горизонтальных перемещений εxi в пределах призмы активного давления грунта L (рис. 7):

4. В пределах длины призмы активного давления в разных зонах сжимаемой толщи определяется изменение горизонтального давления по формуле:

Тогда величина полного горизонтального давления равна:

где sx1 — горизонтальное давление в грунте основания после приложения нагрузки.

5. Определяется значение вертикального напряжения от действия собственного веса глинистого грунта σzg = γi · hi.

6. Внешняя нагрузка на основание P делится на ступени, учитывается время и длительность ее приложения.

7. Высота сжимаемой толщи устанавливается по СП 22.13330.2016:

где HS — мощность сжимаемой толщи, принимаемой на глубине Z; σzp — вертикальное нормальное напряжение на глубине Z от дополнительной нагрузки на основание по вертикальной оси сооружения; σzg — вертикальное нормальное напряжение от собственного веса грунта основания на глубине Z.

8. Активная зона сжатия делится по глубине основания на отдельные слои с учетом грунтовых напластований.

9. Определяется природное напряженное состояние от действия собственного веса глинистого грунта. На уровне подошвы фундамента и в середине каждого слоя ниже уровня подошвы вычисляются вертикальные σzg и горизонтальные напряжения σxgi, σygi от собственного веса грунта. Величина бокового давления σxgi и σygi составляет долю ξxg и ξyg от величины вертикального давления σzgi соответственно.
   Значения ξxg и ξyg приняты равными друг другу и численно равны 0,25.

10. Дополнительные вертикальные напряжения σzpi устанавливаются с использованием модели основания в виде линейно-деформируемого однородного изотропного полупространства σzpi = P · α, где α — коэффициент рассеивания напряжений.

11. Дополнительные горизонтальные напряжения σxpi и σypi определяются из условия одномерного уплотнения с коэффициентом бокового давления ξ = 0,5.

12. Вычисляются суммарные значения напряжений от собственного веса грунта и дополнительной нагрузки на основание (рис. 8):

13. Вычисляются среднее нормальное напряжение и интенсивность напряжений:

14. При совпадении осей главных напряжений и деформаций с центральной осью фундамента устанавливаются значения объемных деформаций и интенсивности деформаций:

В иных случаях используем условие соосности тензоров приращений напряжений и деформаций:

Значения ε1, ε2, ε3 принимаются по результатам лабораторных испытаний, которые соответствуют напряжениям в грунте в каждой точке по паспорту грунта и паспорту ползучести.

15. Определяются условные мгновенные модули: KV — объемнымодуль и GV — модуль сдвига, характеризующие переход из природного состояния основания в состояние после приложения местной нагрузки. Мгновенные модули KV и GV учитывают переход в момент приложения дополнительной вертикальной нагрузки:

16. Приращение осевой деформации i-го слоя после горизонтального перемещения грунта в пределах призмы обрушения рассчитывается по формуле:

17. Осадка основания, разделенного на равные слои до условной глубины сжимаемой толщи, в момент времени t вычисляется следующим образом:

где n — количество слоев; εz0 — приращение осевой деформации в момент приложения внешней нагрузки; εzpl — приращение осевой деформации вследствие ползучести; Δεzi — приращение осевой деформации i-го слоя с учетом горизонтального перемещения грунта в пределах призмы активного давления грунта; hi — толщина i-го слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам исследования установлена закономерность неравномерного изменения НДС грунтов в основании фундаментов зданий на бровке котлованов. Деформирование грунтового массива в основании фундаментов зданий, расположенных в призме обрушения, происходит нелинейно и неравномерно. Устройство глубоких котлованов приводит к изменению НДС грунтового массива основания фундаментов, расположенных на бровке котлована. Это ведет к изменению соотношения вертикальных и горизонтальных напряжений, что вызывает изменение деформационных характеристик грунта, вследствие чего происходит увеличение осадки.

В работах Д.Р. Сафина и соавт. [14], Д.М. Нуриева и соавт. [15] также отмечается, что на определенных участках в грунте за пределами котлована происходит неравномерное распределение дополнительных горизонтальных напряжений. Характер развития горизонтальных перемещений в массиве грунта вблизи котлована в труде Y. Sanqiang и соавт. [16] согласуется с результатами проведенного лабораторного эксперимента, однако авторы сделали вывод о том, что модель деформирования нужно создавать не напрямую по результатам мониторинга, а по результатам численного моделирования, который в свою очередь корректируется согласно данным мониторинга. В случае глинистых грунтов, которые ярко проявляют реологические свойства, в дальнейшем необходимо учитывать фактор времени, оказывающий существенное влияние на деформационные и прочностные характеристики грунтов (И.В. Королева [17], М.И. Шакиров [18]).

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Mirsayapov I.T., Aysin N.N. Evaluation of Subgrade Vertical Deformations of the Building with the Influence of a Deep Excavation // Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Vol. 126. Pp. 51–58. DOI: 10.1007/978-3-030-64518-2_7

2. Jiang X., Lu Q., Chen X., Liu J., Li P. Numerical Analysis of Deep Foundation Pit Excavation Process // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 719. P. 032051. DOI: 10.1088/1755-1315/ 719/3/032051

3. Dong Y.P., Burd H.J., Houlsby G.T. Finite element parametric study of the performance of a deep excavation // Soils and Foundations. 2018. Vol. 58. Pp. 729–743. DOI: 10.1016/j.sandf.2018.03.006

4. Никифорова Н.С. Корректировка метода расчета осадок зданий при подземном строительстве на основе экспериментальных исследований // Вестник МГСУ. 2010. № 4. С. 293–300. EDN RTSQTP.

5. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Ванина Ю.В. Осадка и несущая способность оснований и фундаментов вблизи вертикальной выемки // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 4. С. 443–453. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.4.443-453. EDN GULRMX.

6. Зерцалов М.Г., Казаченко С.А. Численноаналитический метод инженерной оценки влияния разработки котлована на перемещения прилегающего к нему грунтового массива с учетом жесткости ограждающей конструкции // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27. № 3. С. 396–409. DOI: 10.33113/MKMK. RAS.2021.27.03.396_409.07. EDN FPQJTC.

7. Мангушев Р.А., Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Сапин Д.А. Устройство и проектирование котлованов // Справочник геотехника. М. : АСВ, 2016. С. 675–758.

8. Никифорова Н.С., Внуков Д.А. Защита зданий вблизи глубоких котлованов геотехническими экранами // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 108–112.

9. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 15–17.

10. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Готман Ю.А., Тупиков М.М., Трофимов Е.Ю. Анализ применения активных и пассивных методов защиты существующей застройки при подземном строительстве // Жилищное строительство. 2013. № 6. С. 25–27.

11. Никифорова Н.С., Коновалов П.А., Зехниев Ф.Ф. Геотехнические проблемы при строительстве уникальных объектов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010. № 5. С. 2–8.

12. Шишкин В.Я., Погорелов А.Е., Макеев В.А. Усиление существующей застройки при строительстве здания с котлованом 18–20 м // Жилищное строительство. 2011. № 1. С. 32–38.

13. Снитко Н.К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок. Л. : Госстройиздат, 1963. 297 с.

14. Safin D.R., Zainullin R.T., Safina A.D. Experimental Study of Deformation of Soil Berms Retaining Excavation Fence // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 168. Pp. 200–210. DOI: 10.1007/978-3030-91145-4_20. EDN CADJVV.

15. Нуриева Д.М., Агафонов И.В. Анализ опыта проектирования и строительства подземных сооружений с применением «стены в грунте» // Известия КГАСУ. 2023. № 4 (66). C. 61–72. DOI: 10.52409/20731523_2023_4_61

16. Sanqiang Y., Zhenyu Y., Leifeng Z., Yapeng G., Ju W., Jingyong H. Research on deformation prediction of deep foundation excavation excavation based on GWO-ELM model // Electronic Research Archive. 2023. Vol. 31. Pp. 5685–5700. DOI: 10.3934/era.2023288

17. Королева И.В. Исследование влияния фактора времени на прочность глин // Известия КГАСУ. 2023. № 4 (66). С. 53–60. DOI: 10.52409/20731523_ 2023_4_53

18. Шакиров М.И. Деформации грунтовых оснований плитно-свайных фундаментов при циклическом нагружении // Известия КГАСУ. 2022. № 1 (59). С. 19–28. DOI: 10.52409/20731523_2022_1_19

ОБ АВТОРАХ

Илизар Талгатович Мирсаяпов — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии; Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ); 420043, г. Казань, Республика Татарстан, ул. Зеленая, д. 1; ORCID: 0000-0002-6193-0928; mirsayapov1@mail.ru;

Нияз Наилович Айсин — старший преподаватель кафедры оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии; Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ); 420043, г. Казань, Республика Татарстан, ул. Зеленая, д. 1; ORCID: 0000-0002-8776-768X; zarejay@kgasu.ru.