CC BY
26Результаты исследования влияния ограждения котлована типа «стена в грунте» на крен высотного здания на плитном фундаменте
сч сч о сч
о ш m
X
<
m О X X
Знаменский Владимир Валерианович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Механики грунтов и геотехники», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Geosts@yandex.ru. Ганболд Адъяажав
аспирант кафедры «Механики грунтов и геотехники», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Adiyajav1020@gmail.com.
В настоящей статье приводятся результаты исследования влияния ограждающей конструкции котлована, выполненной по технолгии железобетонной «стены в грунте» траншейного типа, на крен высотного здания на плитном фундаменте. Исследование выполнено численным методом с использованием программного комплекса PLAXIS 2D. Влияние «стены в грунте» на крен высотного здания определялось в зависимости от расстояния от ограждения до края плитного фундамента здания, глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована, характеристики контактного элемента, нтенсивности равномерно-распределенной нагрузки и модуля деформации грунтового основания. Степень влияния каждого из указанных факторов на крен высотного здания на плтном фундаменте определялась факторным анализом, основанном на теории планирования экспериментов. Приведены мозаики деформаций грунтового массива в основании фундаментной плиты, а также диаграммы зависимости крена высотного здания от рассмотренных фак-тров влияния. По результатам проведенного исследования определены границы существенного влияния рассмотренных факторов. Результаты проведенного исследования показали, что «стена в грунте» влияет на крен высотных зданий на фундаментном плите, уменьшаясь с увеличением расстояния от ограждения до ее края и величины модуля деформации грунтового основания, уменьшением глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована, уменьшением трения на контакте грунта с поверхностью «стены в грунте» и уменьшением интенсивности равномерно-расспределенной нагрузки. Ключевые слова: «стена в грунте», крен, высотное здание, плитный фундамент, напряженно-деформированное состояние, ограждение котлована, факторный анализ, модуль деформации грунта.
Введение
Напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтов основания плитных фундаментов высотных зданий с развитой подземной частью, определяющее их осадки и крены, зависит от ряда факторов, одним из которых являются ограждения котлованов, выполненные по технологии траншейной «стены в грунте». Различные аспекты этой проблемы изучали многие зарубежные и отечественные ученые и специалист - Van Impe (1991), Sirozhiddinov (1992), Leung и др (2004), Парамонов и Сливец (2008), Корчак и Мороз (2010), Xiangfu (2011), Viggani (2011), Мирсаяпов и Сафин (2011), Шулятьев и др (2012), Галямичев (2015), Lemmen и др (2017), Власов и др (2018), Трушко и Кутявин (2018), Морозов (2019).
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что наличие ограждающей конструкции этого типа влияет на НДС грунтового массива под сооружением и может вызвать перераспределение осадок фундаментной плиты и дополнительный крен высотного здания. Причиной этого как отмечено в работе Шулятьева (2020) является увеличение горизонтальных напряжений, действующих в массиве грунта рядом со «стеной в грунте» и приводящих к росту вертикального модуля деформации грунта в этой зоне, и силы трения грунта по боковой поверхности «стены в грунте». По имеющейся разрозненной информации влияние ограждающей конструкции на НДС грунтового основания плитного фундамента может зависеть от ее заглубления в грунт ниже дна котлована, расстояния от края плитного фундамента, ширины фундаментной плиты и интенсивности действующей на нее равномерно-распределенной нагрузки от сооружения, способа устройства «стены в грунте», метода устройства подземной части и др. Это влияние, как показал анализ ряда численных и экспериментальных исследований, может быть существенным, но специально этот вопрос не исследовался. Изложенное выше явилось причиной проведения дальнейших более детальных исследований влияния работы «стены в грунте» на крен высотных зданий в достаточно широком диапазоне изменения влияющих на него факторов.
Материалы и методы
Исследование влияния ограждения котлована на деформации основания фундаментной плиты в
зависимости от различных факторов выполнялось с использованием ПК Plaxis 2D [18]. Расчетная схема решаемой задачи показана на рис 1, разбивка конечно-элементной сетки и граничные условия (закрепленные опоры с боковых сторон и снизу расчетной области) на рис 2.
Песчаный грунт моделировался моделью Hardening soil. Плитный фундамент и стена в грунте моделировались как линейно-упругий материал, между стеной в грунте и грунтом устанавливался контактный элемент в соответствии с моделью Hardening soil. Расчетные параметры грунта и железобетона приведены в Таблице 1.
X
/
Рис 1. Расчетная схема
Интерфейс
Стена в грунте
Распорка
q
1 2
<1
HVHT
Д Д "YVVVV ■ д ■ д 1
Рис 2. 2й схема конечно-элементной модели, граничные условия
Таблица 1
Свойства | m >, 0) ¿3 ш о- - ó 0 IZ о
Конститутивные модели Линейно-упругая Линейно-упругая Harden ing soil
Удельный вес материала плиты и стены в грунте у, кН/м3 25 25 -
Удельный вес грунта в насыщенном СОСТОЯНИИ у sat, КН/М3 - - 18.5
Модуль Юнга Е, кПа 3x107 3x107 -
Модуль деформации грунта при первичной нагрузке Ео, кПа 35x103
Модуль деформации Eso, кПа - - 35x103
Модель деформации Еиг, кПа 105x103
Модуль деформации Eoed, кПа - - 35x103
Коэффициент Пуассона, и 0.2 0.2 0.3
Угол внутреннего трения, ср - - 28°
Угол дилатансии, ц/ - - 0°
к м :: - - 0.53
Начальный коэффициент пори-стост, е0 - - 0.54
Примечание: Секущий модуль деформации E50 принят равным модулю деформации Ео, модуль деформации при разгрузке Еи=3Е5о, касательный модуль первичной компрессии
Eoed = Е50.
Влияние стены в грунте на крен высотного здания определялось в зависимости от следующих факторов:
❖ фактор m = b/Впл £ [0.1; 0.3; 0.5] - относительное расстояние от края плитного фундамента до «стены в грунте»
❖ фактор t = hзад/Bпл £ [0.5; 0.66; 0.8] - относительная глубина заделки ограждения ниже дна котлована;
❖ фактор Rint £ [0.2; 0.5; 1.0] - коэффициент трения «бетон-грунт».
❖ фактор q £ [300; 350; 400] - равномерно распределенная нагрузка.
❖ фактор E £ [15; 20; 25] - модуль упругости грунтового массива.
Где:
Впл - ширина фундаментной плиты, Впл=10м;
|1зад - глубина заделки «стены в грунте» ниже дна котлована;
Rint= коэффициент трения на контакт «бетон-грунт».
b - расстояние от ограждения котлована до края фундаментной плиты.
Крен высотных зданий на фундаментном плите i определялось как (Si - S2) / Впл, где Si и S2 -осадка крайних точек плиты.
Результаты и обсуждение
На рис. 3 приведены примеры мозаик деформаций грунтового массива при нагрузке на фундаментную плиту q=400 кПа, модуле деформации грунтового основании Е=25МПа, факторе t=0.5 и значениях факторов m= 0,1 и 0,5
Сводные данные о величине крена высотных зданий на фундаментной плите в зависимости от рассмотренных факторов приведены в Таблице 2.
х
X
о
го А с.
X
го m
о
м о м м
Таблица 2
Крен фундаментной плиты в зависимости от рассмотрен-
сч сч о сч
Е=15МПа д=300кПа
m=0.1 m=0.3 m=0.5
t=0.5 Rint=0.2 0.42 0.47 0.76
Rint=0.5 0.55 0.76 1.53
Rint=1.0 0.89 1.15 1.83
t=0.66 Rint=0.2 0.27 0.28 0.51
Rint=0.5 0.33 0.43 0.78
Rint=1.0 0.54 0.97 1.33
t=0.8 Rint=0.2 0.14 0.20 0.22
Rint=0.5 0.28 0.37 0.59
Rint=1.0 0.48 0.57 0.92
Е=15МПа д=400кПа
m=0.1 m=0.3 m=0.5
t=0.5 Rint=0.2 1.77 1.94 2.38
Rint=0.5 2.39 2.57 3.21
Rint=1.0 2.80 2.91 3.47
t=0.66 Rint=0.2 0.64 0.84 1.26
Rint=0.5 1.18 1.31 1.67
Rint=1.0 1.42 1.72 2.13
t=0.8 Rint=0.2 0.50 0.81 0.97
Rint=0.5 1.04 1.21 1.33
Rint=1.0 1.31 1.48 1.64
Е=25МПа д=300кПа
m=0.1 m=0.3 m=0.5
t=0.5 Rint=0.2 0.13 0.19 0.47
Rint=0.5 0.34 0.49 0.92
Rint=1.0 0.56 0.68 1.10
t=0.66 Rint=0.2 0.12 0.16 0.32
Rint=0.5 0.29 0.32 0.47
Rint=1.0 0.32 0.38 0.50
t=0.8 Rint=0.2 0.10 0.12 0.15
Rint=0.5 0.16 0.25 0.28
Rint=1.0 0.10 0.12 0.15
Е=25МПа д=400кПа
m=0.1 m=0.3 m=0.5
t=0.5 Rint=0.2 1.19 1.25 1.42
Rint=0.5 1.45 1.51 1.96
Rint=1.0 1.76 1.74 2.13
t=0.66 Rint=0.2 0.44 0.51 0.72
Rint=0.5 0.82 0.94 1.07
Rint=1.0 0.99 1.07 1.14
t=0.8 Rint=0.2 0.21 0.33 0.47
Rint=0.5 0.34 0.56 0.58
Rint=1.0 0.54 0.69 0.75
Факторный анализ показал, что наибольшее влияние на НДС грунтового массива и крен фундаментной плиты оказывают равномерно-распределенная нагрузка относительное расстояние от края плитного фундамента до «стены в грунте» (т) и модуль деформации грунта в основании фундаментной плиты (Е). Из регулируемых факторов, влияние которых на НДС грунтового массива в проведенном исследовании представляет основной интерес, наибольшее влияние на крен высотного здания оказывает относительное расстояние от края плитного фундамента до «стены в грунте», характеризуемое фактором т, затем сила трения грунта на контакте с ограждением, характеризуемая фактором Rint, и наименьшим влиянием обладает относительная глубина погружения ограждения в грунт ниже дна котлована, характеризуемая фактором I
Согласно Таблице 2 и диаграммам на рис. 5 влияние на крен фундаментной плиты относительного расстояния от ее края до ограждения котлована увеличивается с уменьшением этого расстояния, увеличением относительной глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована, интенсивности нагрузки на плиту и сил трения на контакте «бетон-грунт» и уменьшается с увеличением модуля деформации грунтового массива.
Результаты факторного анализа, основанного на теории планирования эксперимента и выполненного с целью оценки степени влияния каждого из рассмотренных факторов на крен высотных зданий, приведены в виде диаграмм на рис. 4.
о ш т х
<
т о х
X
¡¡.г £.3
Т
Л
41иатор1 КвИ Ои.ТСф К
Рис 4. Степень влияния факторов т, t и на крен здания на плитном фундаменте
Рис.5. Графики зависимости / = / (т ) для различных значений фактора "ИШ": а) фактор t=0.5, б) фактор t=0.8. При q=400кПа
Согласно диаграммам на рис. 6 влияние на крен фундаментной плиты сил трения на контакте «бетон-грунт» увеличивается с их увеличением, ростом относительной глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована, уменьшается с увеличением модуля деформации грунтового массива и уменьшением относительного расстояния
от края плиты до ограждения и увеличивается с увеличением интенсивности нагрузки на плиту.
Рис 6. Графики зависимости г = / (Я[в1) для различных
значений фактора Т:а) фактор т=0.1, б) фактор т=0.5. При q=400кПа
Согласно диаграммам 7 влияние на крен фундаментной плиты относительной глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована увеличивается с увеличением сил трения на контакте «бетон-грунт», модуля деформации грунтового массива и уменьшением относительного расстояния от края плиты до ограждения и увеличивается с увеличением интенсивности нагрузки на плиту.
к =
3
11
а =
»л
0.5 0.66 0,8
{наченне факторов "Ч"
а)
=0.1 иш=0.3 пт-о.?
о,; о.бб а,!
1н ,1 ч.'н ш факте роо ';'
б)
■ ш=С.1 ■ ш=0 3 Вш=0,5
кЬк
0.5 0.66 03 1нячемне факторов
"111=0,1 Вш-О.З
...
I)? 0.С6 0,8
Я .1 I I; I* II I' I' ■ I■ "Г"
Рис 7. Графики зависимости г = / (7) для различных значений фактора "т": а) фактор ММ=0.2, б) фактор Мп(=1.0. При q=400кПа
Анализ полученных результатов показал, что для условий проведенного исследования (несвяз-
ный грунт с определенными физико-механическими характеристиками, заданная глубина котлована, размеры фундаментной плиты и действующая на нее нагрузка) максимальное расстояние эффективного применения «стены в грунте» для регулирования ее влияния на крен фундаментной плиты составило 0,6 ширины плиты, а наибольшая эффективность достигается при расстоянии до ограждения порядка 2,0 м, что, впрочем, характерно для большинства проектных случаев.
Заключение
Проведенное исследование подтвердило известный факт влияния ограждения котлована в виде монолитной железобетонной «стены в грунте» траншейного типа на НДС грунтового массива в основании плитного фундамента высотного здания, что при определенных условиях может привести к существенному изменению его крена.
Факт влияния ограждения котлована на крен здания на плитном фундаменте и установленные проведенным исследованием зависимости этого влияния от расстояния от края плитного фундамента до ограждения, глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована и коэффициента трения грунта о бетон могут быть использованы для решения следующих практических задач:
- выравнивания неравномерности деформаций грунта в основании плитного фундамента;
- выравнивания крена фундаментной плиты, вызванного неравномерной или смещенной в плане нагрузкой на нее или неоднородных геологических напластований.
Изменение крена фундамента можно быть достигнуто за счет:
- изменения расстояния плитного фундамента от ограждения;
- изменения заделки ограждения в грунт ниже дна котлована;
- изменения сил трения грунта основания о бетон ограждения, которое зависит от материала поверхности «стены в грунте» и технологии её изготовления (под защитой бентонитового раствора или с полимером).
Согласно Таблице 2 и диаграммам на рис. 5-7, крен фундамента увеличивается при увеличении глубины заделки ограждения в грунт ниже дна котлована, коэффициента трения между грунтом и бетоном ограждения и интенсивности равномерно распределенной нагрузки и уменьшается при увеличении модуля деформации грунтового основания, отностельного расстояния от края плитного фундамента до стены в грунте.
Факторный анализ, основанный на теории планирования эксперимента и выполненный для 5 факторов показал, что наибольшее влияние на НДС грунтового массива и крен фундаментной плиты оказывают интенсивность равномерно- распределенной нагрузки, относительное расстояние
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м м
сч сч о сч
о ш
В
X
3
<
В
О X X
от края плитного фундамента до «стены в грунте» и модуль деформации грунта.
Литература
1. Польшин Д. Е. (1937). Влияние площади и формы фундаментов на его осадку. // Стройинду-стрия. №3.
2. Довнарович, С. В. (1971). Влияние характера формирования песчаного основания на его деформирование. // Основание, фундаменты и механика грунтов. №6. С. 7-8
3. Фадеев, А.Б., Репина, П.И., Абдылдаев, Э.К. 1983. Метод конечных элемментов при решении геотехнических задач и программа «Геомеханика». Л - ЛИСИ.
4. Горбунов-Посадов М.И., Маликова, Т.А. и Соломин, В.И. 1984. Расчет конструкций на упругом основании. // Москва. Стройиздат. С 679.
5. Van Impe W F. (1991) Deformation of Deep Foundation / W. F. Van Impe / Proc. of the 10th European Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. P. 1021-1062.
6. Carder, D.R. 1995. Ground movements caused by different embedded retaining wall construction techniques. // Transport Research Laboratory report No. 172, Crowthorne, Berkshire.
7. Puller M, 2003. Deep excavations: a practical manual // London, Thomas Telford, P 368.
8. Chang-Yu Ou. (2006). Deep excavations. Theory and Practice. London Taylor and Francis. P 532.
9. Ильичёв, В.А., Петрухин, В.П. и Шейнин В.И. (2007). Принципы проектирования оснований и фундаментов высотных зданий, учитывающеие их геотехнические особенности. // Современное высотное строительство. Москва. ГУП ИТЦ Моско-мархитектуры. С 156-160.
10. Улицкий, В.М. и Шашкин, А.Г. (2010). Подземные сооружения в условиях городской застройки на слабых грунтах. // Гидротехника. №2. С 46-50.
11. Xiangfu C., (2011). Settlement Calculation on High-Rise Building // Science Press Beijing and Springer, P 430.
12. Мирсаяпов, И.Т. и Сафин, Д.Р. (2011). Экспериментальные исследования грунтового массива при совместном деформировании с ограждающей кониструкцией консольного типа в процессе поэтопной разработки котлована. // КГАСУ. №3. С 79-84.
13. Фадеев, А.Б. (2012). Параметры модели упрочняющегося грунта программа «Plaxis». // Численные методы расчетов в практической геотехнике. Сб. С 13.
14. Шулятьев, О.А., Поспехов, В.С. и Шулятьев, С.О. (2012). Из практики проектирования ограждающей конструкции и фундаментной плиты админи-
стративного комплекса зданий с четырёхуровневой подземной автостоянкой. // Жилищное строительство. №9. С 50-53.
15. Lemmen H E, Jacobsz S W and Kearsley E P (2017) The influence of foundation stiffness on the behavior of surface strip foundations on sand // journal of the south African institution of civil engineering issn 1021-2019 V59, pages 19-27
16. Lv Y R, et al. (2017) Geometric Effects on Piles in Consolidating Ground: Centrifuge and Numerical Modeling.// Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 143.9: 04017040.
17. Шулятьев, О.А. и Минаков, Д.К. (2018). Влияние изменения напряженно-деформированного состояния в грунтовом массиве при устройстве стены в грунте на расчет ограждающих и распорных конструкций котлована. // Геотехника. Том 10. №3. С 56-68.
18. Manual, Plaxis users 2013 "Bentley Systems, Incorprated"
Results of the study of the influence of the fence of the pit of the "wall in the ground" type on the helling of a high-rise building on a plate foundation Znamenskiy V.V., Ganbold A.
Moscow State University of Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
This article presents the results of a study of the influence of the enclosing structure of the pit, made according to the technology of a reinforced concrete wall in trench-type soil, the modulus of deformations of the soil base and the value of the uniformly distributed load on the slab foundation on the helling of a high-rise building on slab foundation. The study was performed by a numerical method using the PLAXIS 2D software package. The influence of the "wall in the ground" helling of a high-rise building was determined depending on the distance from the fence to the edge of the slab foundation of the building, the depth of the fence embedding below the bottom of the pit, the characteristics of the contact element, the uniformly distributed load and the modulus of deformation of the soil base. The degree of influence of each of these factors on the tilt of high-rise buildings on a slab foundation was determined by factor analysis based on the theory of planning experiments.
The mosaics of deformations of the soil mass at the base of the foundation slab, as well as graphs of the dependence on the helling of a high-rise building on the considered factors of influence are given. Based on the results of the study, the boundaries of the significant influence of the considered factors were determined. The results of the study showed that the "wall in the ground" affects the roll of high-rise buildings on the foundation slab, decreasing with increasing distance from the fence to its edge and the value of the modulus of deformation of the soil base, reducing the depth of embedding the fence in the ground below the bottom of the pit, reducing friction at the contact soil with a "wall in the ground" surface and a decrease in the value of a uniformly distributed load.
Keywords: Settlement, slab foundation, stress-strain state, pit fencing, wall in
ground, factor analysis, deformation modulus. References
1. Polshin D E 1937. Influence of the area and form of foundations on its draft.
// Construction industry. No. 3.
2. Dovnarovich, S. V. 1971. Influence of the nature of the formation of a sandy
base on its deformation. // Foundation, foundations and soil mechanics. No. 6. P. 7-8
3. Fadeev, A.B., Repina, P.I., Abdyldaev, E.K. 1983. The finite element
method for solving geotechnical problems and the program "Geomechanics". L - LISI.
4. Gorbunov-Posadov M.I., Malikova, T.A. and Solomin, V.I. 1984. Calculation of structures on an elastic foundation. // Moscow. Stroyizdat. P 679.
5. Van Impe W F. 1991 Deformation of Deep Foundation / W. F. Van Impe /
Proc. of the 10th European Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. P. 1021-1062.
6. Carder, D.R. 1995. Ground movements caused by different embedded
retaining wall construction techniques. // Transport Research Laboratory report No. 172, Crowthorne, Berkshire.
7. Puller M, 2003. Deep excavations: a practical manual // London, Thomas
Telford, P 368.
8. Chang-Yu Ou. 2006. Deep excavations. Theory and Practice. London
Taylor and Francis. P 532.
9. Ilyichev, V.A., Petrukhin, V.P. and Sheinin V.I. 2007. Principles for the
design of foundations and foundations of high-rise buildings, taking into account their geotechnical features. // Modern high-rise construction. Moscow. State Unitary Enterprise ITC Moskomarkhitektury. 156-160.
10. Ulitsky, V.M. and Shashkin, A.G. 2010. Underground structures in urban areas on soft soils. // Hydraulic engineering. No. 2. 46-50.
11. Xiangfu C., 2011. Settlement Calculation on High-Rise Building // Science
Press Beijing and Springer, P 430.
12. Mirsayapov I T and Safin D R, 2011, Experimental surveys of deflected state of soil body consistent with rabbet in the process of graded excavation of ditch. // Izvestia KGASU
13. Fadeev, A.B. 2012. Parameters of the hardening soil model program "Plaxis". // Numerical calculation methods in practical geotechnics. Sat. From 13.
14. Shulyatiev O A, Pospekhov V S and Shulyatiev S O, 2012 From the Practice of Design of an Enveloping Structure and a Foundation Plate of Administrative Complex of Buildings with a Four-Level Underground Parking Lot // Housing construction. No 9. P 50-53.
15. Lemmen H E, Jacobsz S W and Kearsley E P 2017 The influence of foundation stiffness on the behavior of surface strip foundations on sand // journal of the south African institution of civil engineering issn 10212019 V59, pages 19-27
16. Lv Y R, et al. 2017 Geometric Effects on Piles in Consolidating Ground: Centrifuge and Numerical Modeling.// Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 143.9: 04017040.
17. Shulyat'ev, O. A. and Minakov, D.K. 2018. The influence of changes in the stress-strain state in the soil mass during the construction of the wall in the soil on the calculation of the enclosing and spacer structures of the pit. // Geotechnics. Volume 10. No. 3. 56-68.
18. Manual, Plaxis users 2013 "Bentley Systems, Incorprated"
X X
o
00 >
c.
X
00 m
o
ho o ho ho
