CC BY
12
г
ОСНОВАНИЯ II ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК: 624.152
DOI: 10.52409/20731523_2022_3_6 EDN: ESCYYW
Оценка влияния устройства глубокого котлована на дополнительные осадки зданий окружающей застройки
Илизар Т. Мирсаяпов1, Н.Н. Айсин1
'Казанский государственный архитектурно-строительный университет г. Казань, Российская Федерация
Аннотация. Постановка задачи. В условиях плотной городской застройки проектирование и строительство новых объектов все чаще осуществляется в непосредственной близости к существующим зданиям, что требует разработки модели для расчета деформаций оснований зданий в единой системе с фундаментами, основанием и окружающим грунтом.
Целью данной работы являлась оценка влияния устройства котлована глубиной 13 м без крепления стенок рядом с существующим зданием на осадки основания. Для этого необходимо было оценить характер влияния устройства глубокого котлована на существующее здание и разработать расчетную модель для определения деформаций основания здания с учетом совместного деформирования системы «надземная и подземная части здания - фундамент - грунтовое основание».
Результаты: Комплексное моделирование напряженно-деформированного состояния и выполненные численные исследования позволили установить, что устройство глубокого котлована привело к одновременному вертикальному и горизонтальному перемещению грунтов основания фундаментов здания 30.1 мм и 19.8 мм соответственно. Возникло множество линий сдвига грунтового массива под фундаментами, свидетельствующих о достижении первого предельного состояния оснований фундаментов. Устройство глубокого котлована привело к чрезмерному и дополнительному деформированию фундаментов, крену фундаментов и здания в целом, а так же к усилиям в конструкциях выше предельно допустимых.
Выводы: Значимость разработанной модели основания для строительной отрасли состоит в том, что она позволяет определять осадку оснований фундаментов с учетом режимов нагружения.
Ключевые слова: осадка основания, глубокий котлован, окружающая застройка, режим нагружения, расчетная модель.
Для цитирования: Мирсаяпов Илизар Т., Айсин Н.Н. Оценка влияния устройства глубокого котлована на дополнительные осадки зданий окружающей застройки // Известия КГАСУ. 2022. № 3 (61), c.6-13, D01:10.52409/20731523_2022_3_6, EDN: ESCYYW
Assessment of the deep excavation effect on additional settlement of surrounding buildings
Ilizar T. Mirsayapov1, N.N. Aysin1
'Kazan State University of Architecture and Engineering Kazan, Russian Federation
Abstract: Problem statement: In restrained urban conditions the design and construction of new facilities is increasingly carried out in close proximity to existing buildings, which requires the development of a model for calculating the deformations of building foundations in a single system with foundations, basement and surrounding soil.
The purpose of this work was to assess the impact of the excavation of a pit with a depth of 13 m next to an existing building without a protective fence. To do this, it is necessary to assess the influence of the deep excavation on the existing building and develop a calculation model for determining the deformations of the building foundation considering joint deformation in the system of superstructure and substructure - foundations - subgrade.
Results: Complex modeling of the stress-strain state and numerical studies have made it possible to establish that the construction of a deep excavation led to simultaneous vertical and horizontal movement of the soils of the building foundation base 30.1 mm and 19.8 mm, respectively. There were a lot of shifting lines of the soil mass under the foundations, indicating the achievement of the first limit state of the foundations bases. The construction of a deep excavation led to excessive and additional deformation of the foundations, the tilt of the foundations and the building as a whole, as well as to the stress in the structures above the maximum permissible.
Conclusions: The significance of the developed foundation model for the construction industry lies in the fact that it allows you to determine foundations settlement, taking into account the loading modes.
Keywords: foundation settlement, deep pit, surrounding buildings, loading mode, design model.
For citation: Mirsayapov Ilizar T., Aysin N.N Assessment of the deep excavation effect on additional settlement of surrounding buildings.// News KSUAE, 2022 №3 (61), p.6-13, DOI: 10.52409/20731523_2022_3_6, EDN: ESCYYW
1. Введение
В связи с ростом плотности застройки городов все чаще происходит проектирование и строительство объектов настолько близко к существующим зданиям, что без специальных мероприятий по защите существующей застройки проводить работы становится невозможным, либо опасным [1-3]. Необходимо наблюдать, а также верно прогнозировать изменение технического состояния зданий, попадающих в зону влияния строительства или реконструкции, для этого составляется специальная программа по геотехническому мониторингу. При прогнозе технического состояния необходимо учитывать изменение распределения усилий в конструктивных элементах здания вследствие дополнительных (технологических и силовых) осадок фундаментов [4-7], для этого необходимо верно моделировать работу грунтового основания. Для точного прогноза картины деформирования основания модель основания должна учитывать изменения напряженно-деформированного состояния массива грунта под зданием, а также режим нагружения основания [8-11] (время, скорость нагружения, разгрузку, изменение направления действия суммарного напряжения).
В зависимости от категории технического состояния существующих зданий допустимые дополнительные осадки зданий составляют 20-50 мм.
В связи с этим возникает необходимость ограничения вертикального и горизонтального перемещения грунтов основания фундаментов существующих зданий. Для ограничения вертикальных и горизонтальных перемещений грунта оснований за пределами котлована устраиваются различные варианты ограждения котлованов. Эти
вопросы рассмотрены в работах [12-15]. Целью данной работы является оценка влияния устройства котлована глубиной 13 м без крепления стенок рядом с существующим зданием на дополнительные осадки основания. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Оценить характер влияния устройства глубокого котлована на существующее здание.
2. Разработать расчетную модель для расчета деформаций основания здания в системе с фундаментами, основанием и окружающим грунтом.
2. Материалы и методы
Исследуемое здание трехэтажное с неполным каркасом из сборного железобетона, с подвальным этажом и с двумя пристроями, расположено в осях 9-15/А^, имеет размеры в плане 36х36 м.
Фундаменты основной части здания столбчатые с размером подошвы 2.0х2.0 м, . глубиной заложения - 4.15 м, под несущими стенами - сборные железобетонные ленточные.
Согласно результатам изысканий, в геологическом строении участка (на вскрытую скважинами глубину) принимают участие аллювиально-делювиальные четвертичные отложения и верхнепермские элювиальные отложения, перекрытые с поверхности толщей техногенных отложений четвертичного возраста.
С поверхности до изученной глубины 25.0 м геолого-литологическое строение представлено следующими инженерно-геологическими элементами (ИГЭ):
ИГЭ-1. Насыпной грунт, состоящий из смеси чернозема, щебня, песка и гравия. Залегает с поверхности до глубины 0.2-1.1м.
ИГЭ-2. Суглинок твердый, коричневый, легкий, среднедеформируемый, низкой прочности, ненабухающий, водонепроницаемый, незасоленный, быстро и очень быстро размокаемый, известковистый, мощностью от 9.3 до 13.1 м. Залегает в интервале глубин 0.4-14.3 м.
ИГЭ-3. Суглинок тугопластичный, коричневый, тяжелый, среднедеформируемый, низкой прочности, ненабухающий, водонепроницаемый, незасоленный, быстро и очень быстро размокаемый, известковистый, с прослоями и гнездами песка, мощностью от 1.3 до 4,5 м. Залегает в интервале глубин 9.7-17.4 м.
ИГЭ-4. Глина верхнепермская, элювиальная, твердая, красновато-коричневая, комковатая, трещиноватая, легкая, среднедеформируемая, средней прочности, ненабухающая, водонепроницаемая, незасоленная, медленно и быстро размокаемая, известковистая, с тонкими прослойками алевролита, мощностью от 3.4 до 7.2 м. Залегает в интервале глубин 17.0-25.0 м.
ИГЭ-5. Песчаник верхнепермский, элювиальный, желтовато-коричневый, низкой прочности, водопроницаемый, сильновыветрелый, размягчаемый, сильнопористый, водонасыщенный, мощностью от 2.8 до 4.5 м. Залегает в интервале глубин 14.0-20.9 м.
В целом геолого-литологическое строение площадки характеризуется относительной выдержанностью грунтов по площади и глубине, неоднородностью их состава и состояния. Физико-механические характеристики грунтов оснований фундаментов приведены в таблице.
Таблица
Физико-механические характеристики грунтов
№ ИГЭ Плотность при природной влажности, т/м3 Коэффициент пористости Модуль деформации, МПа Угол внутреннего трения при а=0,95, град Удельное сцепление расчетное при а=0,95, кПа
р е Е Ф С
2 1.91 0.76 15.1 21 32
3 1.88 0.842 13.1 19 25
4 1.88 0.857 25.2 21 46
5 1.91 0.617 37.8 35 0
Расчет напряжений и деформаций грунтового основания фундаментов здания производился с использованием программного комплекса ЛИРА-САПР 2014, реализующего метод конечных элементов в перемещениях. Для расчетов было создано два типа расчетных моделей: трехмерная и плоская. Вертикальные несущие элементы здания (железобетонные колонны) и горизонтальные несущие элементы (железобетонные ригели) моделировались стрежневыми элементами. Для моделирования плит перекрытий в трехмерной модели использовались конечные элементы оболочки, при расчетах в плоской постановке плиты перекрытия моделировались стержневыми конечными элементами. Для полноценной оценки напряженно-деформированного состояния всего здания в целом, а также отдельных элементов моделировалась система «грунтовое основание - фундамент - надземная часть здания». Работа грунта учитывалась через коэффициенты постели С и С2. Расчет жесткостей этих элементов рассчитывалась в зависимости от расположения, напряженно-деформированного состояния основания и режимов нагружения по модифицированному методу Пастернака:
С= , (1)
1 Нс (1 - )' ()
„ ЕМ ,т)
с 2=-П ' , (2)
2 + ^) '
где Нс - глубина сжимаемой толщи;
- коэффициент Пуассона грунта; Ет) - модуль общих деформаций грунта основания с учетом изменения по глубине сжимаемой толщи и режимов нагружения:
Е( Т) = - , (3)
У" п
г= 1 и,Е1, (1 ,т)
где к7 - толщина 7-го слоя грунта;
и7 - поправочный коэффициент модуля деформаций для 7-го слоя грунта;
Ец(1, т) - модуль общих деформаций грунта на каждом 7-том слое с учетом изменения
режимов нагружения вычисляется по формуле:
Е1'М = А ( ) ' (4)
где А^1г (¡,т), Аеи(^, т) - приращения вертикальных напряжений и деформаций при трехосном режимном нагружении, принимается в соответствии с [16].
3. Результаты и обсуждение
В соответствии с общей концепцией реконструкции в непосредственной близости от здания, на расстоянии 4 м продольных и поперечных стен запроектирована и устроена подземная парковка в глубоком котловане с глубиной 13-15 м без крепления стенок.
До устройства глубокого котлована вдоль осей А, 9 и 15 внешние признаки чрезмерных и неравномерных осадок оснований фундаментов не установлены. Техническое состояние оснований фундаментов, фундаментов, несущих элементов каркаса и здания в целом оценивается как работоспособное.
Устройство глубокого котлована с глубиной 13 м с вертикальными стенками без надлежащего крепления в непосредственной близости от здания со стороны осей А, 9 и 15 (со стороны оси А котлован вплотную подходит к стене здания) вызвало горизонтальное перемещение грунтов основания фундаментов. Появились признаки деформаций железобетонного каркаса здания между осями А-В вследствие
дополнительной осадки основания фундаментов колонн каркаса здания из-за горизонтального перемещения стенок глубокого котлована, что привело к одновременному вертикальному и горизонтальному перемещению грунтов за пределами глубокого котлована, т.е. основания фундаментов здания. В бетонном полу подвального этажа появилась трещина вдоль стены по оси А с шириной раскрытия до 6 мм на расстоянии 1 м от внутренней поверхности стены по оси А, при этом вертикальное перемещение пола в зоне стены составило около 20 мм. Также появились трещины с раскрытием до 1 мм в межплитных швах перекрытия подвала и вертикальные трещины с раскрытием до 0.5 мм в опорной зоне ригеля перекрытия подвала (между осями А-В). В дальнейшем эти дефекты получили большее развитие и появились другие дефекты, что свидетельствует о продолжении развития деформаций грунтового основания фундаментов здания. Техническое состояние оснований фундаментов и здания в данный момент является труднопрогнозируемым и требует проведения исследований с учетом развития дополнительных деформаций грунтов в котловане и за его пределами.
В связи с этим были проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния грунтов основания фундаментов рассматриваемого здания с учетом влияния глубокого котлована и подземной парковки с использованием модифицированной расчетной модели Пастернака на основе аналитической расчетной модели грунта при трехосном режимном нагружении [16].
Комплексное моделирование напряженно-деформированного состояния и выполненные численные исследования позволили установить, что устройство глубокого котлована с глубиной 13.0 м с вертикальными стенками без надлежащего крепления в непосредственной близости от здания привело к одновременному вертикальному и горизонтальному перемещению грунтов основания фундаментов здания 30.1 мм и 19.8 мм соответственно. Осадки основания фундаментов составили 22 мм. Возникло множество линий сдвига грунтового массива под фундаментами (Рис. 1), свидетельствующих о достижении первого предельного состояния оснований фундаментов в осях А-В. Таким образом, устройство глубокого котлована привело к чрезмерному и дополнительному деформированию фундаментов, крену фундаментов и здания в целом. Относительная разность осадок оснований фундаментов:
- 0.0021 >
AS L
= 0.001
(5)
ult
где Ь - расстояние между рассматриваемыми точками; Д5" - абсолютная разность осадок рассматриваемых точек.
Рис. 1. Эпюра касательных напряжений в грунте основания (иллюстрация авторов). 1- каркас
здания; 2 - глубокий котлован Fig. 1. Plot of tangential stresses in the ground of the base (illustration by the authors), 1- building frame;
2 - deep pit
Дополнительные осадки основания фундаментов определяются по формуле:
Sad = (6)
Возведение трехэтажной подземной парковки в глубоком котловане привело к дальнейшему ухудшению геотехнической ситуации:
— увеличились вертикальные и горизонтальные перемещения грунтов в основаниях фундаментов до 42.5 мм и 23.7 мм (рис. 2, 3);
— зона первого предельного состояния оснований фундаментов распространилась в осях А-О, 9-15;
— усилия в несущих элементах каркаса увеличились до 60%.
1
Рис. 2. Эпюра вертикальных перемещений грунтов основания здания (иллюстрация авторов): 1 -
каркас здания; 3 - подземный паркинг Fig. 2. Plot of vertical displacements of the foundation of the building (illustration by the authors):
1 - building frame; 3 - underground parking
Рис. 3. Эпюра горизонтальных перемещений грунтов основания здания (иллюстрация авторов): 1 -
каркас здания; 3 - подземный паркинг Fig. 3. Plot of horizontal movements of the building foundation soils (illustration by the authors): 1 - building frame; 3 - underground parking
Результаты геотехнического мониторинга несущих конструкций каркаса, грунтовых оснований, междуэтажных перекрытий в течение 4-х месяцев подтвердили результаты численных исследований.
Установлено, что имевшиеся к моменту начала наблюдения дефекты получили дальнейшее развитие. Ширина раскрытия трещины в бетонном полу подвала вдоль стены по оси А увеличилась до 9 мм, трещины в межплитных швах перекрытия подвала образовывались в пределах всего подвального этажа и ширина раскрытия трещин увеличилась до 1.5 мм. Вертикальные трещины в ригелях перекрытия в зоне опирания на консоли колонны образовались на всех ригелях перекрытия подвального этажа и ширина раскрытия этих трещин увеличилась до 1.0 мм.
Кроме получивших развитие имеющихся дефектов, образовались и получили развитие новые дефекты и повреждения:
- в бетонном полу подвала на расстоянии 1.5 м от существующей трещины образовалась новая трещина с шириной раскрытия до 5 мм, затем другие трещины с шагом 1.5-2.5 м вдоль буквенных осей и с шагом 2.0-2.5 м вдоль цифровых осей с раскрытием до 3.0-4.5 мм;
- горизонтальные трещины с шириной раскрытия до 0.5-0.7 мм в зоне сопряжения закладных деталей консоли колонны и ригеля перекрытия подвального этажа;
- вертикальные трещины шириной раскрытия до 1.0-1.5 мм в стенах по осям 9 и 15 подвального и первого этажей, шаг трещин составляет 1.5-2.0 м.
Вышеописанное свидетельствует о продолжающихся чрезмерных дополнительных деформациях грунтового основания фундаментов и, как следствие, о дополнительных непроектных деформациях каркаса здания.
4. Заключение
1. Устройство глубокого котлована с глубиной 13 м с вертикальными стенками без надлежащего крепления в непосредственной близости от здания привело к чрезмерному и дополнительному деформированию фундаментов и крену здания в целом, к деформированной схеме работы каркаса, что отличается от проектной. Техническое состояние здания оценивается как аварийное.
2. Разработана расчетная модель здания с учетом совместного деформирования системы «надземная и подземная части здания - фундамент - грунтовое основание». Выполненные численные исследования на основе расчетной модели показали, что устройство глубокого котлована с глубиной 13 м привело к одновременному вертикальному и горизонтальному перемещению грунтов основания фундаментов здания. Возникло множество линий сдвига грунтового массива под фундаментами. Результаты геотехнического мониторинга в течение 4-х месяцев подтвердили результаты численных исследований.
Список литературы / References
1. Mirsayapov I. T., Koroleva I. V. Long-term settlements assessment of high-rise building groundbase based on analytical ground deformation diagram // Procedia Engineering. 2016. P. 519-527. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.728.
2. Mirsayapov I. T. Koroleva I. V. Strength and Deformability of Clay Soil Under Different Triaxial Load Regimes that Consider Crack Formation // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2016. Vol. 53. No 1. P. 5-11. DOI 10.1007/s11204-016-9356-x.
3. Li Q., Liu M., Lu Z., Deng X. Creep Model of High-Strength High-Performance Concrete Under Cyclic Loading // J. Wuhan Univ. Technol. Sci. Ed. 2019. №3 (34). P. 622-629. DOI: 10.1007/s11595-019-2096-9.
4. Chen P., Zhou X., Zheng W., Wang Y., Bao B. Influence of high sustained loads and longitudinal reinforcement on long-term deformation of reinforced concrete beams // J. Build. Eng. 2020. № 30. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101241.
5. Bouziadi F., Boulekbache B., Haddi A., Hamrat M., Djelal C. Finite element modeling of creep behavior of FRP-externally strengthened reinforced concrete beams // Eng. Struct. 2020. №204. P. 109908. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109908.
6. Koroleva I. V. Assessment of clay soils strengthening under triaxial cyclic loading // E3S Web of Conferences Volume 274 (2021): 2nd International Scientific Conference on Socio-Technical Construction and Civil Engineering (STCCE - 2021), Kazan, 21-28 April 2021. France: EDP Sciences, 2021. Vol. 274. P. 3025. DOI 10.1051/e3sconf/202127403025.
7. Song L., Fan Z., Hou J. Experimental and Analytical Investigation of the Fatigue Flexural Behavior of Corroded Reinforced Concrete Beams // Int. J. Concr. Struct. Mater. 2019. №1(13). DOI: 10.1186/s40069-019-0340-5.
8. Zamaliev F. S., Zakirov M. A. Stress-strain state of a steel-reinforced concrete slab under long-term // Magazine of Civil Engineering. 2018. P. 12-23.
9. Tang H., Chen Z., Avinesh O., Guo H., Meng Z., Engler-Pinto C., Kang H. Notch Insensitivity in Fatigue Failure of Chopped Carbon Fiber Chip-Reinforced Composites Using Experimental and Computational Analysis // Compos. Struct. 2020. №10(16). P. 112280. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112280.
10. Choe G., Shinohara Y., Kim G., Lee S., Lee E., Nam J. Concrete corrosion cracking and transverse bar strain behavior in a reinforced concrete column under simulated marine conditions // Appl. Sci. 2020. №5(10). D0I:10.3390/app10051794.
11. Gambarelli S., Ozbolt J. Interaction between damage and time-dependent deformation of mortar in concrete: 3D FE study at meso-scale // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. № 615. P. 012013. DOI: 10.1088/1757-899X/615/1/012013.
12.Augeard E., Ferrier E., Michel L. Mechanical behavior of timber-concrete composite members under cyclic loading and creep // Eng. Struct. 2020. №210. P. 110289. DOI:
10.1016/j.engstruct.2020.110289.
13. Trekin N. N. Kodysh E. N., Mamin A. N., Trekin D. N. Onana J. Improving methods of evaluating the crack resistance of concrete structures // American Concrete Institute, ACI Special Publication. 2018. № 326. P. 93.1-93.6.
14. Liang J., Nie X., Masud M., Li J., Mo Y. L. A study on the simulation method for fatigue damage behavior of reinforced concrete structures // Eng. Struct.2017. № 150, P. 25-38. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.07.001
15.Zhang G., Zhang Y., Zhou Y. Fatigue Tests of Concrete Slabs Reinforced with Stainless Steel Bars // Adv. Mater. Sci. Eng. 2018. P. 1-5.
16. Mirsayapov I. T., Koroleva I. V. Changes in physical and mechanical characteristics of soil under triaxial loading // Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations : Proceedings of the International Conference on Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations, GFAC 2019, Saint petersburg, 06-08 Febrary 2019. - Saint petersburg: Taylor & Francis Group, 2019. - P. 193-196. - DOI 10.1201/9780429058882-37.
Информация об авторах. Илизар Талгатович Мирсаяпов, доктор технических наук, профессор, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, г. Казань, Российская Федерация
Email: mirsayapov1@mail.ru
Нияз Наилович Айсин, аспирант, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, г. Казань, Российская Федерация Email: zarejay@kgasu.ru
Information about the authors. Ilizar T. Mirsayapov, Doctor of technical sciences, professor, Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russian Federation E-mail: mirsayapov1@mail.ru
Niyaz N. Aysin, postgraduate student, Kazan State University of Architecture and Engineering, Kazan, Russian Federation E-mail: zarejay@kgasu.ru
