CC BY
0Исследование усадок плитных фундаментов многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах
Масленников Никита Александрович
кандидат технических наук., доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, masl-nikita@yandex.ru
Новожилова Анна Викторовна
ассистент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, anovozhilova84@yandex.ru
В последние два десятилетия наблюдается заметное увеличение темпов строительства многоэтажных зданий. Высокие здания ставят перед инженерами новые задачи, особенно в отношении структурного и геотехнического проектирования. Многие из традиционных методов проектирования не могут быть применены, поскольку требуют экстраполяции за пределы предыдущего опыта, и, соответственно, конструкторы и геотехники вынуждены использовать более сложные методы анализа и проектирования. Особое внимание в процессе проектирования уделяется выбору фундамента. В настоящее время плитные фундаменты являются перспективными и экономичными для различных видов строений. Особую популярность они приобрели для многоэтажных зданий, строительство которых намечается на территории, где у поверхности залегают слабые грунты. В данном контексте важными являются вопросы, связанные с научно-техническим обоснованием принятой модели грунтового основания и его параметров. В связи с этим в статье проведено исследование усадок плитных фундаментов многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах и предложена модель грунтового основания для расчета и проектирования фундаментов в сложных геологических условиях. Также представлены результаты моделирование системы основы-фундамент на примере деформирования фундаментов двухсекционного здания. Ключевые слова: водонасыщенный грунт, основание, усадка, здание, модель, плита.
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 научно-техническим 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 неравномерно-деформированной 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 си-
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м ■р»
см
0 см
сч
01
о ш т
X
<
т О X X
стему 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], Бочка-рева 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 водонасыщен-ных 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 (50, то) с увеличением проскальзывания плиты, после чего напряжения развиваются по идеально-пластической постоянной траектории.
Расчет плитных фундаментов сводится к определению прогибов плиты, а также изгибающих моментов и внутренних усилий [18]. Действующие нормативы предусматривают ради-усообразное (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, завися-
щие от величины и характера искривления. Полные перемещения точек плиты можно представить в виде суммы: г(г,в) = ш(г, в) + Г](Г,в) где w(r,в) - вертикальные перемещения точек плиты от действия нагрузки на плиту;
ц(г,в) - вертикальные перемещения плиты от искривления поверхности земли.
0.030
- 0.025 ■ а.
7 0.020
I 0.015 -ч
I 0.010 -
я а
| 0.005 ■
в. с
" о.ооо
гибкий, гранулированный, высокое трение — натуральная глина, низкое трение
(8о> То)т
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Проскальзывание плиты, 5 |шш]
Рис. 1 Билинейная зависимость между напряжением трения и проскальзыванием плиты [17]
Согласно [19] расчетное оседание любой точки основания, вызванное кривизной земной поверхности, необходимо определять по формуле:
ц = пктк{х2/24) где nк и mк - 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]:
т = т,тах(1 - -щр** •е2,13*/' = т,тах(1 - • е^
где г]тах - 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 - 5/, после заложения ряда (п) смежных плит равна сумме осадок плиты / под собственной нагрузкой -Бо, плюс дополнительные осадки от каждой из смежных плит, т.е. [20]:
5, = 50 + 1Р]а1]/К] где Бо - нагрузка на плиту / под собственной нагрузкой; Ру -нагрузка на плиту у; К/ - прочность плиты у; ау - коэффициент взаимодействия для расстояния между центром плиты у и точкой А на плите /.
Коэффициент взаимодействия а может быть рассчитан с помощью анализа граничных элементов. В качестве альтернативы его можно также оценить на основе осесимметричного анализа плоских элементов, используя следующее приближение:
а = О5/50
где Б - осадка грунта на расстоянии г от нагруженной плиты, на ее средней глубине; Бо - осадка плиты под собственной нагрузкой; й - 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.
Рис. 1 Схема деформирования плитного фундамента многоэтажного здания на слабых водонасыщенных грунтах
Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение модели грунтового основания в виде линейно-деформированного 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. 200-203.
2. Тарадай Д.В., Ленёв С.Н. Внедрение системы контроля деформации фундамента ГТУ AE64.3A ТЭЦ-9 ПАО «Мосэнерго» // Электрические станции. 2023. № 6 (1103). С. 12-17.
3. Александровский М.В. Изготовление нестандартных узлов при проектировании зданий и сооружений // Экономика строительства. 2022. № 4 (76). С. 57-67.
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. 62-77.
5. Горбунов И.А. Анализ влияния струйной цементации слабых грунтов на напряженно-деформированное состояние основания фундамента // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2022. С. 426-431.
6. Знаменский В.В. Результаты исследования работы фундаментов на щебеночных сваях в слабом глинистом грунте // Инновации и инвестиции. 2022. № 8. С. 94-99.
7. Сайед Д.А. Прогнозирование осадки фундамента на щебеночных сваях в слабых глинистых грунтах // Экономика строительства. 2022. № 9. С. 88-95.
8. Прокудин И.С. Применение плитного фундамента в малоэтажном строительстве на слабых грунтах // Точная наука. 2023. № 140. С. 15-17.
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. 64-76.
10. Алаев А.С. Исследование работы конструкций фундамента при строительстве на торфяном грунте // Современные
технологии в строительстве. Теория и практика. 2022. Т. 1. С. 184-187.
11. Сахаров И.И., Буреима С. Фундаменты многоэтажных зданий в типичных грунтовых условиях африканского континента // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 3 (92). С. 7279.
12. Филимонов Д.С. Современные методы повышения сейсмостойкости фундаментов в сложных грунтовых условиях при новом строительстве // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2022. № 12 (1060). С. 20-23.
13. Будикова А.М., Байманов Т.О. Анализ инженерно-геологических исследований площадок, сложенных слабыми глинистыми грунтами // Вестник науки и образования. 2020. № 72 (85). С. 11-15.
14. Железняков В.А. Закрепление слабых водонасыщенных грунтов на примере жилого дома в г. Таганрог // Инженерный вестник Дона. 2021. № 3 (75). С. 335-342.
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. С. 7-12.
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. 173-181.
17. Гончаров А.А. Исключение неравномерных осадок при возведении зданий в сложных гидрогеологических условиях // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 1. С. 48-52.
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 проса-дочных грунтах // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2021. Т. 2. С. 42-47.
20. Демьяненко В.И. Осадка слабого основания под песчаной подушкой, вмещающей фундамент конечной ширины // Жилищное строительство. 2020. № 9. С. 20-26.
Investigation of shrinkage of slab foundations of a multi-storey building on
weak water-saturated soils Maslennikov N.A., Novozhilova A.V.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
JEL classification: L61, L74, R53_
The last two decades have seen a marked increase in the rate of construction of high-rise buildings. Tall buildings pose new challenges to engineers, especially with regard to structural and geotechnical design. Many of the traditional design methods cannot be applied because they require extrapolation beyond previous experience, and consequently structural and geotechnical engineers are forced to use more sophisticated analysis and design methods. Special attention in the design process is given to foundation selection. Currently, slab foundations are promising and economical for various types of structures. They have become particularly popular for multi-storey buildings to be constructed in areas with weak soils at the surface. In this context, the issues related to the scientific and technical justification of the adopted model of the soil foundation and its parameters are important. In this connection, the article studies the shrinkage of slab foundations of a multi-storey building on weak water-saturated soils and proposes a model of the soil foundation for calculation and design of foundations in complex geological conditions. The results of modeling of the foundation-foundation system on the example of deformation of foundations of a two-section building are also presented. Keywords: water-saturated soil, foundation, shrinkage, building, model, slab. References
1. Soytu N.Yu., Aleynikova M.A. Determination of foundation subsidence parameters when changing the base stiffness coefficient // Innovations and investments. 2023. No. 1. P. 200-203.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м ■р»
2. Taraday D.V., Lenev S.N. Implementation of a foundation deformation control
system for gas turbine unit AE64.3A CHPP-9 PJSC Mosenergo // Electric Power Plants. 2023. No. 6 (1103). pp. 12-17.
3. Aleksandrovsky M.V. Manufacturing of non-standard components in the design of
buildings and structures // Construction Economics. 2022. No. 4 (76). pp. 57-67.
4. Kalach F.N. Assessing the effectiveness of using the technology of injection
strengthening of soft soils at the base of shallow foundations with self-expanding solutions // Construction and Geotechnics. 2020. T. 11. No. 2. P. 62-77.
5. Gorbunov I.A. Analysis of the influence of jet cementation of soft soils on the stress-
strain state of the foundation base // Scientific, technical and economic cooperation of Asia-Pacific countries in the 21st century. 2022. pp. 426-431.
6. Znamensky V.V. Results of a study of the performance of foundations on crushed
stone piles in weak clay soil // Innovations and investments. 2022. No. 8. pp. 9499.
7. Sayed D.A. Prediction of foundation settlement on crushed stone piles in weak clay
soils // Construction Economics. 2022. No. 9. pp. 88-95.
8. Prokudin I.S. Application of slab foundations in low-rise construction on soft soils //
Exact Science. 2023. No. 140. pp. 15-17.
9. Shenkman R.I. Method for calculating the settlement of foundations on a foundation
improved using vertical soil elements in a shell made of geosynthetic materials. Construction and Geotechnics. 2020. No. 3. T. 11. P. 64-76.
10. Alaev A.S. Study of the work of foundation structures during construction on peat
soil // Modern technologies in construction. Theory and practice. 2022. T. 1. pp. 184-187.
11. Sakharov I.I., Bureima S. Foundations of multi-story buildings in typical soil conditions of the African continent // Bulletin of Civil Engineers. 2022. No. 3 (92). pp. 72-79.
12. Filimonov D.S. Modern methods of increasing the seismic resistance of foundations in difficult soil conditions during new construction // BLS: Bulletin of Construction Technology. 2022. No. 12 (1060). pp. 20-23.
13. Budikova A.M., Baimanov T.O. Analysis of engineering-geological studies of sites
composed of weak clay soils // Bulletin of Science and Education. 2020. No. 7-2 (85). pp. 11-15.
14. Zheleznyakov V.A. Consolidation of weak water-saturated soils using the example
of a residential building in Taganrog // Engineering Bulletin of the Don. 2021. No. 3 (75). pp. 335-342.
15. Nikiforova N.S., Nguyen V.H. Calculation of settlements of buildings in the zone of
influence of deep pits under seismic influences // Foundations, foundations and soil mechanics. 2021. No. 6. P. 7-12.
16. Bochkareva T.M. Study of the degree of influence of the thickness of the soil foundation and the depth of the weak-bearing soil layer underneath on the total settlement // Master's Journal. 2020. No. 1. P. 173-181.
17. Goncharov A.A. Elimination of uneven settlements during the construction of buildings in difficult hydrogeological conditions // Industrial and civil construction. 2020. No. 1. P. 48-52.
18. Grebennikov I.O. Features of designing strengthening of soil foundations of buildings and structures by reinforcement with soil-cement columns // Bulletin of the Siberian State Transport University. 2022. No. 2 (61). pp. 123-130.
19. Popov D.P. Modeling of the proposed design of a strip foundation support block
for work in subsidence soils // Modern technologies in construction. Theory and practice. 2021. T. 2. pp. 42-47.
20. Demyanenko V.I. Settlement of a weak foundation under a sand cushion containing a foundation of finite width // Housing Construction. 2020. No. 9. pp. 20-26.
CN O CN
CN
O m m x
<
m o x
X
