Курск, Курская область, Россия
с 01.01.2014 по 01.01.2021
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом
УДК 624 Строительные конструкции. Подземное строительство. Земляные работы. Фундаменты, основания и их устройство. Строительство тоннелей. Строительство мостов. Строительство наземных сооружений
Расчет здания на многолетнемерзлых грунтовых основаниях с учетом криогенных процессов является задачей повышенной сложности, не имеющей в настоящее время общего и строгого решения. Сложность и особенность расчета напряженно-деформированного состояния конструкции, расположенной на грунтовом массиве разных условий, заключается в том, что требуется определенный запас разнообразных алгоритмов моделирующих различные факторы реального физического процесса для возможности выбора наиболее подходящего варианта. Большая часть механических задач по изучению состояния оснований сооружений в зоне вечной мерзлоты посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния грунтов, где определяется граница раздела талой и мерзлой зон. В пределах каждой из этих зон принято считать, что механические свойства грунтов остаются неизменными. Осадка оснований зданий и сооружений, возведенных на мерзлых грунтах, развиваются в виду изменения характеристик грунтов из-за температурных условий и зачастую неравномерна. Это приводит к повреждениям конструкций. В работе было проведено исследование в программном расчетном комплексе Лира-Сапр на влияние деформаций основания и осадок фундаментов на напряженно-деформируемое состояние надземной части здания. Выполнен расчет элементов каркаса в умеренных широтах и в условиях вечной мерзлоты. Проведен сравнительный анализа взаимодействия системы «основание – фундамент – здание» на грунтах разных условий на основании полученных результатов.
осадка фундаментов, грунтовый массив, мерзлый грунт, талый грунт, деформация оснований, напряжено-деформированное состояние.
Введение. Для обеспечения долговечности и безопасности конструкций зданий и сооружений необходимо уделять особое внимание надежности их эксплуатации. В современных условиях проектирования и строительства наибольшую значимость приобретают вопросы, связанные с оценкой воздействия различных категорий сложности грунтовых условий на напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций и оснований. Также важно разработать рациональные и надежные проектные решения, а также инженерные мероприятия, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик зданий и сооружений, возводимых в сложных грунтовых условиях [1‒4].
При проведении оценки НДС сооружений следует учитывать деформации основания, вызванные как равномерной, так и неравномерной осадкой, что может происходить по разным причинам [5, 6]. Через контакт с подстилающим грунтом на сооружение передаются нагрузки, и именно деформация грунта под основанием вызывает неравномерную осадку, что может привести к повреждению и разрушению конструкции. Учитывая это, особое внимание необходимо уделить влиянию мерзлого состояния грунта основания, которое изменяет физико-механические свойства контактного слоя в системе «основание – фундамент – здание» [7‒11]. Исследованию вопросов трансформации НДС грунта под фундаментом сооружений в условиях различных состояний грунтового массива и посвящена данная работа.
В настоящее время численный расчет зданий и сооружений совместно с грунтовым основанием стал широко распространенной практикой благодаря использованию различных программных комплексов, таких как МОНОМАХ-САПР, ЛИРА-САПР, Plaxis, Ansys, SCAD office и другие. В этих комплексах реализованы разнообразные методики расчета оснований, начиная от простых моделей с известными параметрами до сложных, требующих дополнительных исследований. Для инженера-расчетчика критически важно правильно выбрать модель грунтового основания и установить ее параметры, чтобы обеспечить адекватное описание напряженно-деформированного состояния основания и несущих конструкций [12‒14].
Основная цель данной работы заключается в определении и сравнении осадок, полученных в результате численных расчетов с применением различных моделей грунтового основания, реализованных в программных комплексах САПФИР и ЛИРА-САПР. Для достижения этой цели требуется выполнить следующие задачи:
– разработать компьютерную модель для исследования взаимодействия системы «основание – фундамент – здание» на мерзлых и немерзлых грунтах;
– изучить на расчетной модели механизмы взаимодействия компонентов системы;
– провести оценку параметров напряженно-деформированного состояния.
Материалы и методы. В современном строительстве подавляющее большинство проектов, приблизительно 60 % от общего объема, реализуется с применением железобетонных конструкций. Эти конструкции обладают высокой прочностью и долговечностью, что делает их оптимальными для возведения зданий и сооружений различного назначения. Однако при проектировании и строительстве необходимо учитывать разнообразие грунтовых условий, на которых будут возводиться здания. В зависимости от специфики грунтовых массивов на строительных площадках, конструктивные решения могут включать устройство свайных фундаментов, что особенно актуально на слабых или неоднородных грунтах.
При расчете таких сооружений важно использовать комплексный подход, включающий моделирование системы «здание – фундамент – грунт» как единого целого. В этом контексте критическим аспектом является правильное описание свойств грунта, который является неотъемлемой частью конструкции. Существует несколько методов для учета характеристик грунта в расчетах. Один из них – это использование коэффициентов постели, которые позволяют моделировать взаимодействие грунта с фундаментом. Этот метод прост в применении и достаточно распространен, однако он имеет ограничения в точности при моделировании сложных грунтовых условий.
Другим, более детализированным подходом является использование специальных конечных элементов, которые более точно отражают особенности работы грунтовых массивов, включая их упругие и пластические свойства, а также влияние изменения нагрузки на различные глубины залегания грунтов [15]. Этот метод позволяет создать более реалистичную модель системы, что способствует точному прогнозированию поведения сооружения в различных эксплуатационных условиях [16‒20].
Проведение таких сложных расчетов вручную практически невозможно из-за их трудоемкости и необходимости учесть множество факторов. Поэтому на практике широко используются специализированные программные комплексы, которые позволяют автоматизировать процесс вычислений. Эти программы обеспечивают выполнение различных типов расчетов, начиная от анализа напряженно-деформированного состояния конструкций и заканчивая оценкой их устойчивости при воздействии различных нагрузок. Кроме того, программы учитывают последовательность возведения сооружений, что особенно важно для комплексных конструкций, состоящих из множества взаимосвязанных элементов.
Основой большинства современных программных комплексов является метод конечных элементов (МКЭ), который благодаря своим широким возможностям позволяет моделировать как простые, так и сложные конструкции. МКЭ позволяет учесть все аспекты, влияющие на поведение конструкции, включая геометрию, физико-механические параметры материалов и грунтов, а также условия нагружения. Это дает возможность создать модель, максимально приближенную к реальным условиям эксплуатации. Более того, использование таких программных средств существенно ускоряет процесс расчета, снижая затраты времени и ресурсов, что особенно важно в условиях сжатых сроков проектирования и строительства [21].
В данной работе был использован метод сравнительного анализа для оценки осадки фундамента с учетом различных моделей грунта, что позволило провести комплексный анализ взаимодействия системы «основание – фундамент – здание» в различных грунтовых условиях. Для проведения исследований применялись несколько методов, каждый из которых был направлен на решение специфических задач. Среди них можно выделить:
1. Описательный метод. Использовался для систематизации и интерпретации данных, полученных в ходе исследования. Этот метод позволил подробно описать исходные условия, в которых проводились расчеты, а также определить ключевые параметры, влияющие на поведение системы.
2. Аналитический метод. Применялся для анализа полученных данных и выявления взаимосвязей между различными параметрами модели. Аналитический подход помог глубже понять механизмы взаимодействия элементов системы, а также оценить влияние различных факторов на осадку.
3. Математический метод Включал использование математических моделей и формул для расчета деформаций основания. Этот метод основывался на решениях, предложенных теорией упругости, и позволил определить количественные характеристики деформаций, что было важно для точного расчета осадки фундамента.
4. Методы расчета конструкций на деформируемом основании. Эти методы использовались для моделирования взаимодействия фундамента с грунтом, что позволило учесть деформации основания и их влияние на поведение надземной части здания.
Расчет пространственной модели «здание + фундамент + основание» проводился с помощью специализированных программных комплексов ЛИРА-САПР и САПФИР. Эти программные продукты обладают широкими возможностями для выполнения сложных инженерных расчетов, что позволяет учитывать множество факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние конструкции.
Для исследования взаимодействия системы «основание – фундамент – здание» в различных грунтовых условиях было выполнено компьютерное моделирование в программе САПФИР. В качестве объекта моделирования было выбрано каркасное здание с традиционными конструктивными решениями. Такое здание характеризуется жесткой конструкцией, где основную роль в обеспечении жесткости играют монолитные перекрытия, соединенные с колоннами. Это типичное решение для современных многоэтажных зданий, где важна надежность и устойчивость конструкции.
Расчет модели был выполнен в программном комплексе ЛИРА-САПР, который позволяет детально моделировать и анализировать конструкции на деформируемом основании. Модель представляла собой двухэтажное здание с тремя пролетами, выполненное из железобетона и смонтированное на свайный фундамент. Каркасная конструктивная система здания включает в себя несущие элементы, такие как колонны, стены лестничных клеток, а также плиты перекрытия и покрытия. Эти элементы обеспечивают равномерное распределение нагрузок и устойчивость здания в различных эксплуатационных условиях. Здание опирается на сваи с плитным ростверком, с возвышением свай на 1,2 м над уровнем земли для создания вентилируемого подполья. Несущие элементы выполнены из бетона класса В25 с использованием арматуры класса А500. В плите перекрытия первого этажа предусмотрены отверстия для устройства лестничных клеток.
Параметры несущих элементов:
– колонны сечением 400×400 мм;
– стены ядра жесткости толщиной 200 мм;
– балки сечением 200×300 мм по контуру здания;
– плиты перекрытия и покрытия толщиной 200 мм;
– монолитный ростверк толщиной 600 мм;
– сваи буроопускные сечением 400×400 мм;
– вылет консолей фундамента относительно осей крайних колонн 500 мм;
– глубина заложения фундамента 5,8 м.
Во всех вариантах оснований было задано одинаковое напластование грунтов. В качестве основания свайного фундамента служит суглинок (ИГЭ-2) с расчетными характеристиками:
– мощность h ≈ 7,0 м (усредненное значение);
– удельный вес g = 17,1 кН/м3;
– коэффициент Пуассона m = 0,3;
– модуль деформации Е1 = 10000 кПа;
Е2 = 20000 кПа (зависит от состояния грунта).
В расчете будет учтено действие на здание постоянных нагрузок. Постоянные нагрузки включают в себя:
– собственный вес монолитных конструкций (задается автоматически в структуре программы ЛИРА-САПР);
– вес кровли на покрытие (q1= 3,5 кН/м2);
– вес полов и перегородок на перекрытие
(q2 = 2,0 кН/м2);
– вес полов на фундамент (q3 = 1,9 кН/м2);
– вес стен ограждающих конструкций
(Q = 30 кН/м);
– вес парапетов (Q/2 = 15 кН/м).
Расчет каркаса будет производиться на основные сочетания нагрузок, в состав которых входят:
– загружение 1 – собственный вес монолитных конструкций здания;
– загружение 2 – вес кровли, полов, перегородок, наружного стенового ограждения (q1, q2, q3, Q).
Расчетная модель здания и грунтовый массив представлены на рис. 1‒4.
Для проведения расчетной работы по проектированию необходимо создать пространственную модель каркасного здания с использованием программного комплекса ЛИРА-САПР. На начальном этапе моделирования требуется задать параметры жесткости всех несущих железобетонных элементов конструкции. Эти параметры включают характеристики материалов, такие как модуль упругости и прочностные свойства, которые определяют, как элементы будут сопротивляться действующим нагрузкам.
Рис. 1. Схема плана здания
Рис. 2. Общий вид модели здания и его расчетная модель
Рис. 3. Таблица скважин грунтового массива
Рис. 4. Модель грунтового массива
Следующим шагом является определение опорных соединений и закреплений. Это включает в себя установку всех необходимых связей, которые обеспечивают правильное распределение нагрузок и жесткость конструкции. Важно точно настроить опорные условия, чтобы адекватно смоделировать взаимодействие элементов конструкции.
Составляем расчетную комбинацию нагрузок из двух загружений. Первое загружение включает в себя собственный вес монолитных конструкций, который включает вес всех конструктивных элементов, таких как перекрытия и стены. Второе загружение учитывает нагрузки, возникающие от эксплуатации здания, такие как вес кровли, полов, перегородок, наружных стен и парапетов. Эти нагрузки обозначаются как q1, q2, q3 и Q соответственно.
После задания нагрузок и опорных условий необходимо сформировать таблицу расчетных сочетаний усилий. Это включает в себя создание различных сценариев нагрузки, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации здания, чтобы оценить, как конструкция будет себя вести в различных условиях.
Затем в программном комплексе выполняется расчет модели для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих элементов. Этот расчет позволяет определить, как различные части конструкции будут деформироваться под воздействием заданных нагрузок и как распределяются внутренние усилия.
Для визуализации результатов расчета создается расчетная комбинация нагрузок. Это позволяет наглядно представить, как различные нагрузки влияют на конструкцию и какие максимальные и минимальные напряжения и деформации возникают в различных элементах модели.
Основная часть. Основная часть работы заключается в численных экспериментах, целью которых является определение влияния вечномерзлых грунтов на НДС элементов системы «здание + фундамент + основание». Это достигается путем сопоставления двух расчетных решений – одно с учетом вечной мерзлоты, другое без нее, а затем вычисляется разница соответствующих параметров.
В случае присутствия вечномерзлых грунтов и учета таяния верхних слоев грунтового массива, полные деформации основания определяются по формуле [22]:
Sm = S + Ss, (1)
где Sm – осадка, происходящая в процессе эксплуатации здания на оттаивающем основании; S – составляющая осадки основания, вызванная действием собственного веса оттаивающего грунта; Ss – сумма осадок, обусловленных специфическими грунтами.
Деформации оттаивающего основания накапливаются в пределах расчетной глубины оттаивания Н. В качестве расчетной глубины оттаивания грунтов H принимается минимальная глубина сжимаемой толщи грунта.
Составляющая осадки основания, вызванная действием собственного веса грунта, определяется по формуле [22]:
, (2)
где Ath,i – коэффициент оттаивания i-го слоя грунта, доли единицы; mth,i – коэффициент сжимаемости, (т/м2)-1; σzg,i – вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i-го слоя грунта, т/м2; hi – толщина i-го слоя.
Составляющая осадки основания S от действия веса сооружения рассчитывается в зависимости от напряжений в грунте от веса сооружения σр и коэффициента сжимаемости mth. При этом, используется модель упругого полупространства, а напряжения σр рассчитываются по методу Буссинеска [23].
Рассмотрим пример осадки здания с учетом оттаивания первых двух слоев грунтового массива, в которых располагаются сваи. Первый слой представлен насыпным грунтом из крупнозернистого песка, второй слой – суглинок, а третий – супесь. Границы слоев распределены пространственно неоднородно по объему грунта. Природный рельеф участка не имеет выраженных перепадов высот (рис. 5).
Рис. 5. Характеристики мерзлого грунтового массива
В ПК ЛИРА-САПР реализован вариант формирования коэффициентов Ath и mth. Возможно задать соответствующие коэффициенты оттаивания Ath и сжимаемости mth для указанных слоев грунта (рис. 6).
Рис. 6. Задание коэффициентов оттаивания Ath и сжимаемости mth
Для проведения расчетов статической устойчивости и анализа напряженно-деформированного состояния грунтового основания используется модель Винклера, которая предполагает представление основания как системы независимых упругих элементов (пружин), реагирующих на приложенные нагрузки [24, 25]. Этот подход широко применяется в инженерной практике для моделирования взаимодействия фундамента и грунта.
1. Экстраполяция модели грунта. Перед началом расчета необходимо выполнить экстраполяцию модели грунта. Это включает в себя определение физико-механических характеристик грунта на различных глубинах заложения, таких как модуль деформации, коэффициент Пуассона, удельный вес и другие параметры, которые влияют на поведение основания при нагрузке. Экстраполяция позволяет уточнить параметры модели и учесть возможные изменения в структуре грунта, такие как неоднородность, наличие подземных вод или наличие вечномерзлых слоев.
2. Расчет свайного фундамента. На основе экстраполированных данных выполняется расчет свайного фундамента. Этот процесс включает в себя определение оптимальной длины, диаметра и количества свай, а также их расположения под зданием для обеспечения необходимой несущей способности. При этом необходимо учитывать взаимодействие свай с грунтом, которое моделируется с помощью упругих коэффициентов. Коэффициенты упругого основания, которые определяются на этом этапе, играют ключевую роль в последующих расчетах, так как они отражают способность грунта сопротивляться нагрузкам.
3. Итерационный расчет. После выполнения первоначального расчета свайного фундамента необходимо провести итерационный расчет для уточнения коэффициентов упругого основания (коэффициентов постели). Этот процесс включает в себя последовательные пересчеты значений коэффициентов до тех пор, пока они не стабилизируются, а погрешность между максимальными и минимальными значениями не будет составлять не более 5 %. Количество итераций определяется в зависимости от сложности задачи и характеристик грунта. В данном исследовании было выполнено 10 итераций, что позволило достичь требуемой точности (рис. 7).
4. Импорт данных в модуль «Грунт». После завершения итерационного процесса, результаты, полученные на предыдущих этапах, импортируются в модуль «Грунт» программы для дальнейшего анализа. В этом модуле производится расчет осадок и распределение напряжений в грунтовом основании с учетом взаимодействия фундамента со строительной конструкцией. Модуль также позволяет проводить проверку на устойчивость фундамента и оценку его поведения при различных сценариях нагружения.
Рис. 7. Осадка свай в мерзлом грунте при оттаивании в системе Лира-грунт
5. Оценка результатов. После того как итерации завершены и коэффициенты постели стабилизированы, проводится окончательная оценка результатов. В ходе анализа рассматриваются значения осадок, распределение напряжений и другие параметры, которые позволяют сделать выводы о надежности и устойчивости фундамента в данных грунтовых условиях. Полученные результаты визуализируются с помощью графиков и диаграмм, что позволяет наглядно представить изменения в поведении грунта и конструкции под воздействием нагрузки.
Итогом проделанной работы становится получение детализированной картины напряженно-деформированного состояния системы «здание – фундамент – основание», что позволяет принять обоснованные инженерные решения и провести корректировку проектных решений при необходимости.
Осадка основания от действия веса сооружения рассчитывается с использованием модели упругого полупространства, что предполагает представление грунта как однородного, изотропного и упругого материала. В этом подходе ключевую роль играют два параметра:
Коэффициент сжимаемости mth – параметр, который характеризует деформационную способность грунта под нагрузкой. Этот коэффициент определяется экспериментально и зависит от типа грунта, его влажности, плотности, а также от условий, в которых он находится.
Напряжение σr – напряжение в грунте, возникающее под действием нагрузки от веса сооружения. Это напряжение рассчитывается с использованием метода Буссинеска, который применяется для определения напряжений в упругом полупространстве под концентрированной нагрузкой.
В результате расчетов, произведенных по этим параметрам, осадка основания S от веса сооружения была определена как 23,31 мм.
Кроме того, необходимо учитывать осадку, вызванную собственным весом грунта σzg. Для расчета этой составляющей осадки используется формула (2), в которой учитываются вертикальные напряжения от собственного веса грунта на различных глубинах заложения. Эти напряжения зависят от плотности и состава грунта, а также от его структурных особенностей. Осадка грунта, обусловленная его собственным весом, будет увеличиваться только в пределах глубины оттаивания.
Для условий, где грунт находится в вечномерзлом состоянии, общая деформация основания Sm определяется как сумма двух компонентов по формуле (1).
В данном случае расчеты показали, что полная осадка в условиях вечномерзлого грунта составляет Sm = S + Ss = 48,49 + 23,31 = 71,8 мм.
Полная осадка основания учитывает все возможные компоненты деформаций и составляет:
Ssum = S + Ss + Sp + Sc = 92,2 мм, (3)
где S – осадка от веса сооружения; Ss – осадка от действия собственного веса грунта; Sp – осадка от дополнительных нагрузок, возникающих при эксплуатации сооружения; Sc –осадка, связанная с криогенными процессами, такими как замерзание и оттаивание грунтов.
В период оттаивания грунты, такие как тугопластичные и мягкопластичные суглинки, существенно теряют свои прочностные и деформационные характеристики. Это явление называется разупрочнением и составляет порядка 30‒50 %. В результате, несущая способность свай в слоях, где происходит смерзание с грунтом, значительно снижается, что требует особого внимания при проектировании фундаментов на таких грунтах.
Для случая, когда все слои грунта остаются в мерзлом состоянии, коэффициенты оттаивания Ath и сжимаемости mth не учитываются. Расчет осадки в этом случае выполняется по модели Пастернака, которая более точно описывает взаимодействие фундамента с основанием за счет учета боковой жесткости грунта. Итоговая осадка для данной модели составила 32 мм.
Для сравнения была выполнена аналогичная модель расчета, но уже для условий немерзлого грунта. Параметры грунтового массива в этом случае изменяются, и расчет производится с учетом этих изменений (рис. 8). В итоге осадка на немерзлом грунтовом массиве составила 58 мм, что также свидетельствует о значительных изменениях в поведении грунтов при переходе от мерзлого состояния к немерзлому.
Рис. 8. Характеристики немерзлого грунтового массива
Перемещения элементов каркаса по вычисленным результатам разных вариантов грунтового массива представлены на рисунках 9 и 10 (для наглядности перемещения элементов каркаса увеличены в 50 раз).
При моделировании системы с полностью замороженным грунтом наблюдается снижение осадки и крена здания по сравнению с аналогичными показателями на грунтах в умеренных климатических условиях. Это снижение объясняется увеличенной жесткостью мерзлого основания. Замороженный грунт становится значительно более прочным и жестким, что снижает его подвижность и сопротивляемость деформациям под нагрузкой. В результате, нагрузка распределяется более равномерно по жесткому основанию, что приводит к уменьшению осадки и крена здания.
В противоположность этому, когда рассматривается сценарий с оттаиванием верхних слоев грунта, наблюдаются иные результаты. Оттаивание верхних слоев приводит к неравномерной осадке основания, поскольку верхний слой становится более пластичным и подверженным деформациям. Эта неравномерная осадка вызывает увеличение усилий в несущих конструкциях здания, таких как колонны и балки, так как нагрузки распределяются неравномерно. Это может привести к возникновению дополнительных напряжений и ухудшению структурной стабильности, если не принять соответствующих мер.
Рис. 9. Изополя перемещений по оси z: а – при оттаивании грунта;
б – при мерзлом состоянии грунта; в – при немерзлом состоянии грунта
Рис. 10. Перемещения элементов каркаса здания вид с фронтальной (вверху) и торцевой стороны (внизу) здания: а – при оттаивании грунта; б – при мерзлом состоянии грунта; в – при немерзлом состоянии грунта
Эти различия подчеркивают важность учета всех факторов при проведении расчетов. Необходимо учитывать состояние грунта (замороженный или оттаявший), физико-механические характеристики грунта и сезонные климатические изменения. Также следует моделировать взаимодействие фундамента и грунта, чтобы получить более точные результаты по осадке и крену здания.
Для наглядной оценки влияния различных типов грунтов на проектируемое здание, результаты расчетов по ключевым показателям, таким как осадка, крен и усилия в несущих конструкциях, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчета модели здания на грунтовом основании разных условий
|
Показатель |
Талый грунт |
Мерзлый грунт |
Немерзлый грунт |
|
Осадка, мм |
92 |
31 |
57 |
|
Плита покрытия |
|||
|
Напряжения Мх (min/max), кН·м |
-58,9/20,4 |
-62,1/20,3 |
-62,6/20,4 |
|
Напряжения Му (min/max), кН·м |
-66,6/18,5 |
-70,3/18,5 |
-71,9/18,6 |
|
Плита ростверка |
|||
|
Напряжения Мх (min/max), кН·м |
-195/121 |
-190/97,9 |
-188/101 |
|
Напряжения Му (min/max), кН·м |
187/101 |
-183/105 |
-188/100 |
|
Площадь полной арматуры max (верхняя зона плиты, ось Х), cм2 |
24,5 (s200d25) |
24,5 (s200d25) |
24,5 (s200d25) |
|
Площадь полной арматуры max (верхняя зона плиты, ось У), cм2 |
19 (s200d22) |
19 (s200d22) |
19 (s200d22) |
|
Площадь полной арматуры max (нижняя зона плиты, ось Х), cм2 |
7,69 (s200d14) |
7,69 (s200d14) |
7,69 (s200d14) |
|
Площадь полной арматуры max (нижняя зона плиты, ось У), cм2 |
7,69 (s200d14) |
7,69 (s200d14) |
5,66 (s200d12) |
|
Площадь полной вертикальной арматуры колонн max, cм2 |
14,8 |
12,6 |
12,9 |
|
Площадь полной арматуры балок max, cм2 |
8,92 |
8,99 |
9,08 |
|
Сваи |
|||
|
Нагрузка на сваи min/max, кН |
298/456 |
352/412 |
298/456 |
|
Несущая способность свай min/max, кН |
817/834 |
1490/1500 |
817/834 |
Результаты расчетов, представленные в табл. 1, показывают различия в поведении конструкции в зависимости от типа грунта.
Осадка основания значительно варьируется в зависимости от состояния грунта. В случае талого грунта осадка составляет 92 мм, что является наибольшим значением среди всех рассматриваемых типов грунтов. Это указывает на значительное влияние таяния верхних слоев грунта на деформации основания. В мерзлом грунте осадка равна 31 мм, что значительно меньше по сравнению с талым грунтом. Это связано с повышенной жесткостью мерзлого грунта, которая ограничивает деформации. Немерзлый грунт демонстрирует осадку в 57 мм, что находится между значениями для талого и мерзлого грунтов, показывая умеренные деформации.
Анализ напряжений в плитах перекрытия показывает, что максимальные отрицательные напряжения в плитах наиболее выражены для немерзлого грунта, составляя -62,6 кН·м, а наименьшие положительные значения наблюдаются в талом грунте - 20,4 кН·м. В мерзлом грунте напряжения близки к значениям для немерзлого грунта. Максимальные напряжения по оси Y также выше в немерзлом грунте (-71,9 кН·м), чем в мерзлом грунте, и ниже в талом грунте (18,5 кН·м).
В плите ростверка напряжения по оси X достигают максимальных отрицательных значений в мерзлом грунте (-190 кН·м), в то время как для талого и немерзлого грунтов они близки. По оси Y напряжения для плиты ростверка в талом грунте наибольшие (187/101 кН·м), в то время как для мерзлого грунта напряжения более сбалансированы, а для немерзлого грунта они близки к значениям для мерзлого грунта.
Выводы.
1. Анализ распределения напряжений и деформаций в плитах перекрытия и ростверке для трех рассматриваемых расчетных моделей демонстрирует их общую закономерность. Изополя перемещений показывают неоднородное распределение деформаций, которое плавно увеличивается при увеличении толщины слоев песчаного и суглинистого грунта, в то время как деформации уменьшаются при увеличении толщины слоя супеси. Это свидетельствует о том, что крен здания может возникнуть не только из-за выраженной асимметрии жесткостных характеристик конструкций или неравномерного распределения нагрузок, но также из-за неоднородности грунтового массива. Включение фундамента и конструктивных элементов здания в расчет на изгиб из-за неравномерных осадок основания способствует снижению этих неравномерностей. Интенсивность этого процесса возрастает при уменьшении податливости основания.
2. Напряжения в конструктивных элементах зависят от геометрических параметров и жесткости здания, а также от инженерно-геологических условий грунтового основания. В условиях неравномерных осадок основания не возникает дополнительных усилий; наоборот, конструкции и фундаменты с определенной жесткостью не могут полностью следовать за осадкой основания, что приводит к перераспределению давления. В результате происходит снижение давления в зонах с более высокой податливостью грунта и увеличение давления в более жестких участках, что вызывает перераспределение нагрузки и может приводить к дополнительным деформациям и напряжениям в конструктивных элементах.
3. Расхождение напряжений M для расчетных схем на талых и немерзлых грунтах варьируется от 0,5 до 7,5 %, при этом разница в осадке составляет 40 %. Для мерзлых и немерзлых грунтов расхождение напряжений M составляет от 0,5 до 2,7 %, а разница в осадке – 45,6 %. Между талым и мерзлым грунтами расхождение напряжений M колеблется от 0,5 до 19,1 %, с разницей в осадке 67,4 %.
4. Анализ распределения арматуры в плите ростверка по трем расчетным вариантам показал, что различия в напряжениях незначительны, что приводит к схожести шагов арматуры и диаметра для всех случаев – 14 мм. Единственное отличие наблюдается в диаметре арматуры нижней зоны плиты по оси Y для немерзлых грунтов, где диаметр составляет 12 мм.
5. По результатам расчета нагрузок на сваи и их несущей способности в различных грунтовых условиях, можно отметить, что сваи в немерзлых и мерзлых грунтах с учетом оттаивания показывают одинаковые значения. Однако сваи в полностью мерзлом грунте имеют несущую способность, которая почти в два раза превышает показатели для других вариантов. Это объясняется большей величиной модуля деформации мерзлых грунтов.
6. Практическое решение задачи показало, что неравномерные осадки основания и фундамента приводят к значительному перераспределению усилий в элементах надземной части здания. Таким образом, корректность расчета возможна только при совместном учете зданий и оснований.
1. Алексеева О.И., Балобаев В.Т., Григорьев М.Н., Макаров В.Н., Чжан Р.В., Шац М.М., Шепелев В.В. О проблемах градостроительства в криолитозоне (на примере Якутска) // Криосфера Земли. 2007. Т. 6. № 2. С. 78‒83.
2. Алешина Т.А. Строительство на мерзлоте: опыт и новшества [Электронный ресурс]. URL: sibforum.sfu-kras.ru/node/106 (дата обращения: 05.09.2024).
3. Васьковский А.П., Шкляров Н.Д. Конструкции гражданских зданий для строительства на Севере. Л.: Стройиздат, 1979. 136 с.
4. Охлопкова Т.В., Гурьянов Г.Р., Плотников А.А. Строительство и проектирование зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты // Инженерный вестник Дона. 2018. № 4. С. 62‒75.
5. Тазаян Ю. Строительство зданий и сооружений на вечной мерзлоте // Молодой ученый URL: https://moluch.ru/archive/338/75879/ (дата обращения: 05.09.2024).
6. Шикломанов Н.И., Стрелецкий Д.А., Гребенец В.И., Луис С. Покорение вечной мерзлоты: развитие городской инфраструктуры в Норильске, Россия // Полярная география. 2017. С. 22‒32.
7. Sun L., Mahmoud A., Ding Y., Yetisir M., Numerical analysis of permafrost heat transfer for small module reactor installation in northern areas // International Journal of Thermofluids. 2022. Vol. 16. 100202. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijft.2022.100202.
8. Hwang C.T., Murray D.W., Brooker E.W. A Thermal Analysis for Structures on permafrost // Canadian Geotechnical Journal. 2011. Vol. 9(1). Pp. 33‒46. DOI:https://doi.org/10.1139/t72-003.
9. Rühaak W., Anbergen H., Grenier Ch., McKenzie J., Kurylyk B.L., Molson J., Roux N., Sass I. Benchmarking Numerical Freeze/Thaw Models // Energy Procedia. 2015. Vol. 76. Pp. 301‒310. DOI:https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.866.
10. Burn C.R., Mackay J.R., Kokelj S.V. The thermal regime of permafrost and its susceptibility to degradation in upland terrain near Inuvik, N.W.T // Permafrost and Periglacial Processes. 2009. Vol. 20. Pp. 221‒227 DOI:https://doi.org/10.1002/ppp.649
11. Kurylyk B.L., McKenzie J.M., MacQuarrie K.T.B., Voss C.I. Analytical solutions for benchmarking cold regions subsurface water flow and energy transport models: One-dimensional soil thaw with conduction and advection // Advances in Water Resources. 2014. Vol. 70. Pp. 172‒184. DOI:https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2014.05.005.
12. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Шашкин В.А. Основы совместных расчетов зданий и оснований. – Спб.: Геореконструкция, 2014. 328 с.
13. Андреев В.И. Расчет модели системы конструкция – фундамент – основание с учетом деформаций сдвига // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 6. С. 2‒5.
14. Егорова Е.С., Иоскевич А.В., Иоскевич В.В., Агишев К.Н., Кожевников В.Ю. Модели грунтов, реализованные в программных комплексах SCAD Office и Plaxis 3D // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 3. С. 31–60. DOI:https://doi.org/10.18720/CUBS.42.3
15. Кочерженко В.В. Инновационные свайные технологии в современном фундаментостроении // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2022. № 4. С. 57‒67.
16. Майструк А.Г., Пегин П.А. Анализ конструкции фундаментов, устраиваемых на вечномерзлых грунтах // Заметки ученого. 2021. № 9. С. 31‒35.
17. Nikiforova N.S., Konnov A.V. Forecast of the soil deformations and decrease of the bearing capacity of pile foundations operating in the cryolithozone // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2022. No. 18. Рp. 141–150. DOI:https://doi.org/10.22337/2587-9618-2022-18-1-141-150.
18. Tan X., Chen W., Tian H., Cao J. Water flow and heat transport including ice/water phase change in porous media: Numerical simulation and application // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 68. Pp. 74‒84. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.04.004.
19. Hansson K., Šimůnek J., Mizoguchi M., Lundin L.-C., van Genuchten M.T. Water flow and heat transport in frozen soil: Numerical solution and freeze-thaw applications // Vadose Zone Journal. 2004. Vol. 3. Pp. 693‒704. DOI:https://doi.org/10.2113/3.2.693.
20. Painter S.L. Three-phase numerical model of water migration in partially frozen geological media: Model formulation, validation, and applications // Computational Geosciences. 2011. Vol. 15. Pp. 69‒85. DOI:https://doi.org/10.1007/s10596-010-9197-z
21. Розин Л.А. Основы метода конечных элементов в теории упругости. Л.: Издательство ЛПИ, 1972. 77 с.
22. Нагаева С.П., Кочеткова А.А. Определение несущей способности сваи в вечномерзлых грунтах. – Новгород: ННГАСУ, 2022. 73 с.
23. Пьянков С.А. Механика грунтов. Ульяновск: УлГТУ, 2018. 195 с.
24. Бурлакова А.М., Кондратьева Л.Е., Маврина С.А., Филатов В.В. Математическое моделирование. Владимир: Издво ВлГУ, 2017. 128 с.
25. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М.: Госстройиздат, 1954. 56 с.
