CC BY
14Опыт разработки и использования эффективных конструкций фундаментов
Сойту Наталья Юрьевна
к.т.н., доцент кафедры «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, natali_s01@mail.ru
Алейникова Маргарита Анатольевна
к.т.н., доцент, кафедра «Строительная механика», Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ale11971_80@mail.ru
Основными тенденциями современного строительства общественных и жилых построек является увеличение надземной и подземной частей сооружения, создание проектов в сложных геолого-инженерных условиях, ограниченность площади для возведения объектов. Такие тенденции требуют решения разноплановых геотехнических задач, связанных с проектированием конструктивно надежных и экономически обоснованных фундаментов повышенной жесткости, способных выдержать нагрузку от конструкций здания и передать ее в прочные слои грунтового массива. С учетом обозначенного, статья посвящена рассмотрению опыта разработки и использования эффективных конструкций фундаментов. В процессе исследования проведен анализ традиционных подходов к созданию основы для разных уровней нагрузки, грунтов, наличия воды и пространства. Также описаны некоторые инновационные решения и технологии. Отдельное внимание уделено эффективным конструкциям фундаментов для просадочных почв. Ключевые слова: фундамент, почва, надежность, подошва, заделка.
Одной из основных тенденций современного строительства является увеличение этажности зданий, что требует решения разноплановых геотехнических задач и разработки новых типов конструктивно надежных и экономически обоснованных фундаментов, в том числе в сложных инженерно-геологических условиях с учетом агрессивного воздействия внешней среды [1].
В результате ошибок, допущенных на этапах исследования, проектирования, возведения и непосредственно эксплуатации, период службы строений иногда гораздо более короче, чем предполагалось изначально. Появление трещин, щелей, локальных разрушений нарушает нормальную эксплуатацию построек. Расходы на восстановительные работы чаще всего соразмерны со стоимостью нового строительства. Все это предопределяет необходимость разработки более обоснованной методики, позволяющей учитывать особые условия и факторы в процессе проектирования и строительства. В данном контексте очень важно правильно выбрать тип фундамента - в соответствии с типом почвы и областью применения конструкции, поскольку ошибки могут иметь серьезные последствия и даже привести к сносу готового объекта.
Выбор конструкции фундамента — это один из важнейших факторов, обеспечивающих эксплуатационную надежность и долговечность построек. Такая важность обуславливается влиянием работы фундаментов на состояние конструкций, которые находятся выше него, а также сложностью, трудоемкостью и дороговизной работ по их ремонту или замене [2].
На сегодняшний день существует очень широкий спектр типов фундаментов, подходящих для различных применений, в зависимости от: характера нагрузки, состояния грунта, наличия воды и пространства, чувствительности к шуму и вибрации [3]. С учетом обозначенных факторов, а также принимая во внимание требования к обеспечению устойчивости и надежной работы фундамента при воздействии на него вертикальных и горизонтальных усилий, и, помимо этого, необходимость снижения материалоемкости, трудоемкости и стоимости фундаментов, очевидной является сложность принятия решения по поводу выбора эффективных конструкций фундаментов.
Таким образом, на сегодняшний день особую актуальность приобретают вопросы, связанные с поиском экономических и технически обоснованных решений для фундаментов, разработкой новых конструкций и способов их устройства, проведением экспериментальных исследований и их производственным освоением, что и обуславливает выбор темы данной статьи.
Над созданием и развитием расчетно-теоретиче-ского аппарата проектирования эффективных фунда-
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м м
CS CS
о
CS
cñ
О Ш
m
X
<
m
о
X X
ментов с учетом разработки новых конструктивных решений, материалов и технологий трудятся такие авторы как Киричек Ю.А., Комиссаров Г.В., Бочкарева Т.М., Lian, Jijian; Guo, Yaohua; Wang, Haijun.
Исследования, касающиеся расчета прочности и стойкости фундаментных конструкций, проводят Тара-сеева Н.И., Калашникова И.В., Кузовников Е.С., Сычкина Е.Н., Turner, Matthew M.; Ghayoomi, Majid; Ueda, Kyohei.
Разработке инновационных конструкций фундаментов на различных типах грунтов, а также обоснованию методики определения их технологических параметров посвящены труды Габибова Ф.Г., Григорьева Ю.С., Фатеева В.В., Кузовникова Е.С., Сычкиной Е.Н., Noto, Fabrizio; lovino, Maria; Di Laora, Raffaele.
Однако, несмотря на имеющиеся труды и наработки, постоянное стремление к экономичности инженерных решений требует проведения более углубленного анализа возможностей новых конструктивных решений для фундаментов, которые позволят найти оптимальный вариант в соответствии с поставленными задачами возведения и использования сооружения.
Таким образом, цель статьи заключается в изучении опыта разработки и использования эффективных конструкций фундаментов.
Итак, в зависимости от гидрогеологических и инженерно-геологических условий, в строительстве могут применяться такие традиционные способы закладки основы будущего строения:
- свайные фундаменты для которых используются забивные призматические сваи. Обычно длина этих свай 3-16 м на заболоченных, насыпных, слабых водонасыщен-ных, проседающих и других проблемных грунтах;
- свайные фундаменты, возводимые с применением буронабивных железобетонных свай. Диаметр этих свай 300-1200 мм, длина 12-20 м. Сфера использования данного типа фундамента - насыпные грунты, склоны и строительство в условиях ограниченного пространства городской застройки. Когда проект реализуется на слабых водонасыщенных грунтах могут применяться также буронабивные железобетонные сваи в обсадных трубах;
- ленточные и столбчатые фундаменты малой заделки в сборном и монолитном исполнении под здания и сооружения, возводимые на естественных основаниях четвертичных отложений;
- плитные основы, получаемые из монолитного железобетона, они применяются в основном для высотных строений [4].
Анализ мирового опыта и практики, а также патентных разработок позволяет обозначить прогрессивные и эффективные типы фундаментов, а также современные технологии их создания:
- комплексные свайно-плитные фундаменты. Сфера их применения - высокие, многоэтажные конструкции, которые имеют собственный большой вес и оказывают давление на грунт основания от 0,4-0,6 до 1,0 МПа;
- фундаменты глубокой заделки, которые возводятся по методу опускного колодца или «стена в грунте». При использовании данного фундамента осуществляется прорезка слабых четвертичных отложений в результате чего давление тяжелых зданий передается на более надежные и устойчивые коренные породы;
- на участках с проседающими и насыпными грунтами свое применение нашли фундаменты в трамбованных котлованах;
- применение струйной геотехнологии для заложения искусственных оснований и армирования грунтов цементно-грунтовыми элементами. Эта технология может применяться как в период строительства, так и когда возникает необходимость усилить грунт основания под уже действующими фундаментами зданий;
- для разнородных, структурно неустойчивых и переслаивающихся грунтов используются искусственные основания, полученные с помощью специальных инъекций (отжимающая, заполняющая, пропитывающая, разрывная), которые осуществляются под давлением от 520 до 300-500 атм [5].
В рамках проводимого исследования рассмотрим особенности разработки и использования эффективных конструкций фундаментов для просадочных почв, которые очень часто встречаются в современном строительстве.
Важным направлением при проектировании фундаментов на просадочных грунтах является выбор их рациональной конструктивной схемы и искусственно улучшенных оснований. Классические схемы устранения проседающих свойств основы в соответствии с принятыми стандартами представлены на рис. 1.
а) 6)
А----=£Ы-
ш
mi1 шЯI
л
if
а - уплотнение почв с помощью тяжелых трамоовок после доведения влажности почвы до оптимальной: б - уплотнение п устройство подушек из непроседающих местных грунтов: в - уплотнение грунтов подводными взрывами с использованием предварительного замачивания: г - устройство свайных фундаментов с прорезью всей толщи просадки грунтов с целью передачи давления на не проседающие подстилающие слои грунта: 1 -уплотненный грунт; 2 - проседающая почва: 3 - не проседаюппш грунт: 4 - нижняя граница проседающего грунта: 5 - грунтовая подушка, уплотненная послойно; 6 - поля; 7 -набпвноп пли забивной фундамент, пирамидальная короткая свая; 8 - щебень, который втрамбован в грунт
Рис. 1 Варианты устройства оснований и фундаментов в грунтовых условиях I типа просадки [6]
Для укрепления фундаментов возводтиых на просадочных грунтах, сегодня разработаны новые формы подошвы, которые воспринимают неравнозначные в каждом направлении действия моментные нагрузки вдоль одной или двух ортогональных осей фундамента, а также являются более экономичными с точки зрения расходов бетона.
На рис. 2 представлены примеры форм контакта фундамента 1 с несимметрично расположенным по подошве вырезом 2 разной формы с основанием 3.
Суть новой конструкции фундамента заключается в том, что по подошве выполняется несимметрично расположенный относительно середины петли (точка О) вырез с центром (точка О/), смещающийся в обратную сторону от направления действия больших значений моментных нагрузок ±Мх и ± Му относительно центра (точка О) ортогональных осей х и у. Преимуществом таких фундаментов является возможность обеспечить их надежность и большую устойчивость к проседанию, а также еще больше снизить внешние габариты по сравнению с фундаментами, имеющими симметричное расположение выреза.
У««. | / У 1
/ ж.
О "о- X
2
с ✓ * , * и
БчЬ
А А
У
\
-
Б-
3
о о- ? <■ Ь Л
Б
Пример форм контакта фундамента с несимметричным вырезом по подошве
3
■ X
Пример форм контакта фундамента с несимметричным вырезом по подошве
1 - фундамент (например, квадратной или круглой 1 - фундамент (например, прямоугольной или эллиптической формы); 2 - вырез (например, квадратной или формы); 2 - вырез (например, прямоугольной или
круглой формы); 3 - основа эллиптической формы); 3 - основа
Рис. 2 Новые формы подошвы фундаментов для просадочных грунтов
фундамент с симметричным вырезом
о.бь
фундамент с несимметричным вырезом
0,46
103
[200
250
|350-* Ртах=1.2К, кПа
7.2
Ч' В, м
фундамент с несимметричным вырезом
4.9
5,8
фундамент с симметричным вырезом
Рис. 3 Гоафики изменения оптимального размера В квадратных фундаментов с вырезом (бесконтактной зоной) и соответствующего относительного объема бетона фундамента в зависимости от принятых краевых давлений ртах на грунтовую основу
Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что благодаря новым формам подошвы оснований при прочих равных условиях, с возможностью повышения максимального давления на основание ртах уменьшаются общие габариты фундаментов с вырезами: В*В, что позволяет существенно сэкономить от 26% до 54% на объеме бетона фундамента с вырезом Уе по сравнению с вариантом традиционного фундамента со сплошной подошвой Ус. На рис. 3 это отображено графически.
Отдельное внимание хотелось бы уделить еще одной инновационной разработке создания оснований на просадочных грунтах - это фундамент с несущим карка-
сом из трехшарнирных рам, который представляет собой отдельный железобетонный асимметричный фундамент с горизонтальным размещением подошвы [7].
Эти фундаменты рекомендуется устанавливать непосредственно на горизонтально спланированные основания при залегании в основе песков средней крупности, а также крупно обломочных грунтов. Если основу составляют глины, суглинки, твердые супеси, мелкие и пылеватые пески, под подошвой фундамента устраивают подготовку из послойно уплотненных песков крупных, средней крупности, гравийных или крупных обломочных грунтов на глубину не менее расчетной глубины
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м м
промерзания, но во всех случаях не менее 0,5м. Допускается использовать подготовку из тяжелого бетона. На рис. 4 представлена схема такого фундамента.
сч сч о сч
СП
о ш m
X
<
m о х
X
Рис. 4 Железобетонный асимметричный фундамент с горизонтальным размещением подошвы
При залегании в основаниях слабых глинистых грунтов размеры песчаной и бетонной подушки устанавливают расчетом.
Фундамент с горизонтальным расположением подошвы создает необходимое сопротивление действующему горизонтальному усилию только при наличии в основе грунтов, обеспечивающих высокое удельное сопротивление трению фундаментного материала по грунту. Поскольку сдвиг фундамента с горизонтальной подошвой происходит непосредственно по контактной поверхности подошвы фундамента и грунта, расчеты устойчивости основания по схеме плоского сдвига являются для такой конструкции определяющими. При таком решении запас устойчивости фундамента против плоского сдвига можно обеспечить путем специальных мер, а именно созданием песчаных и бетонных подготовок [8].
Устойчивость фундамента при плоском сдвиге может быть значительно повышена при устройстве наклонной подошвы фундамента (см. рис. 5). Чем больше наклон подошвы, тем меньше сила сдвига.
Рис. 5 Блочный фундамент с наклонной подошвой
Фундамент с наклонной подошвой имеет целый ряд преимуществ по сравнению с типичным. Прежде всего сопротивление оползню по подошве перестает быть решающим фактором при выборе размеров фундаментов и глубины их закладки. Проверка устойчивости основания по схеме плоского сдвига показала достаточный запас устойчивости. Это создает возможность установки фундамента непосредственно на основание (если не считать созданного в необходимых случаях песчаного выравнивающего слоя толщиной 50-100мм) практически при любых видах грунтов. Кроме того, применение фундамента с наклонной подошвой позволяет более
полно использовать несущую способность грунтов основания и соответственно выбрать оптимальные размеры фундамента. Это приводит к снижению расхода материалов и уменьшению массы фундамента.
Подводя итоги, отметим, что разнообразие грунтовых условий, разные возможности производственных баз строительных организаций обуславливают необходимость разработки и использования разных типов фундаментов. В статье проанализированы традиционные решения для фундаментов, обозначены некоторые инновационные подходы. Отдельное внимание уделено эффективным конструкциям фундаментов для просадочных почв.
Литература
1. Новосёлова Ю.Д., Мирошин А.Н. Поиск эффективной конструкции фундамента // Научному прогрессу - творчество молодых. 2019. № 4. С. 29-30.
2. Antonopoulos, C. Dynamic behavior of soil-foundation-structure systems subjected to scour // Soil dynamics and earthquake engineering. 2022. Issue 152; рр 15-17.
3. Магомедов М.А. Конструкции поверхностных фундаментов // Современная школа России. Вопросы модернизации. 2021. № 7-2 (37). С. 73-74.
4. Терехов И.Г., Зенкова В.Г., Морозова А.Ф., Калмыкова Е.Н., Терехова Л.А. Экономическая целесообразность использования новых конструкций кустовых свайных фундаментов // Евразийский юридический журнал. 2021. № 12 (163). С. 513-515.
5. Noto, Fabrizio Non-linear dynamic analysis of buildings founded on piles: Simplified modelling strategies for soil-foundation-structure interaction // Earthquake engineering and structural dynamics. 2022. Number 4; pp 744-763.
6. Sabermahany, Hadi Seismic performance of buildings supported by a shallow doubly-curved shell raft foundation // Structures. 2022. Volume 36; pp 619-634.
7. Собянина О.В. Исследование дефектов в основаниях и фундаментах, которые могут возникать при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений // Экономика и предпринимательство. 2021. № 7 (132). С. 14061409.
8. Li, Jiale Numerical study on scour protection effect of monopile foundation based on disturbance structure // Ocean engineering. 2022. Volume 248.
Experience in the development and use of effective foundation designs Soytu N.Yu., Aleynikova M.A.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
The main trends in the modern construction of public and residential buildings are the increase in the above-ground and underground parts of the structure, the creation of projects in difficult geological and engineering conditions, and the limited area for the construction of objects. Such trends require the solution of diverse geotechnical problems associated with the design of structurally reliable and economically sound foundations of increased rigidity, capable of withstanding the load from the structures of the structure and transferring them to the solid layers of the soil massif. Taking into account the indicated, the article is devoted to the consideration of the experience of developing and using effective foundation designs. In the course of the study, an analysis was made of traditional approaches to creating a basis for different levels of load, soil, water availability and space. Some innovative solutions and technologies are also described. Special attention is paid to effective foundation designs for subsiding soils. Keywords: foundation, soil, reliability, sole, embedment.
References
1. Novosyolova Y.D., Miroshin A.N. Search for an effective design of a fundament // Scientific Progress - Creativity of the Young. 2019. № 4. C. 29-30.
2. Antonopoulos, C. Dynamic behavior of soil-foundation-structure systems sub-jected to scour // Soil dynamics and earthquake engineering. 2022. Issue 152; pp 15-17.
3. Magomedov M.A. Designs of surface foundations // Modern School of Russia. Problems of Modernization. 2021. № 7-2 (37). C. 73-74.
4. Terekhov I.G., Zenkova V.G., Morozova A.F., Kalmykova E.N., Terekhova L.A. Economic expediency of using new structures of pile foundations // Eurasian Law Journal. 2021. № 12 (163). C. 513-515.
5. Noto, Fabrizio Non-linear dynamic analysis of buildings founded on piles: Simplified modelling strategies for soil-foundation-structure interaction // Earthquake engineering and structural dynamics. 2022. Number 4; pp 744-763.
6. Sabermahany, Hadi Seismic performance of buildings supported by a shallow doubly-curved shell raft foundation // Structures. 2022. Volume 36; pp 619-634.
7. Sobyanina O.V. Research of Defects in Foundations and Foundations that may Occur during Construction and Operation of Buildings and Constructions // Economics and Entrepreneurship. 2021. № 7 (132). C. 1406-1409.
8. Li, Jiale Numerical study on scour protection effect of monopile foundation based on disturbance structure // Ocean engineering. 2022. Volume 248.
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
2 O
ho ho
