Д.т.н.
Гончаров Б.В., д.т.н. Гареева Н.Б., к.т.н. Галимнурова О.В., Искандаров А.Р.
Уфимский государственный
нефтяной технический университет, Россия
Проектирование плитных фундаментов
на неравномерно сжимаемом основании
На сегодняшний день монолитное
строительство в России является наиболее
перспективным и удобным способом постройки жилых зданий, в том числе высотных. Фундаменты таких зданий
выполняются, как правило, в виде сплошной плиты. Данный тип
фундаментов позволяет избежать дорогостоящих и часто ненадежных методов
предотвращения неравномерных деформаций грунта, гарантируя надежность системы
«здание-фундамент-основание» на все время эксплуатации.
Однако при их
строительстве возникают трудности при выборе метода проектирования и расчета.
Для работающих на изгиб
фундаментных плит и перекрестных лент статический расчет в предположении
линейного распределения реактивного давления грунта не может считаться
приемлемым. Пренебрежение изгибом фундамента и его совместной работой с
грунтовым основанием и надфундаментными конструкциями приводит к тому, что
расчетные реакции этих конструкций оказываются весьма далекими от нагрузок,
передаваемых ими. При
проектировании плит определенную сложность представляет выбор модели основания.
Такие классические, как модель Винклера, с постоянным коэффициентом постели или
схема линейно-деформируемого полупространства придают нереальную
распределительную способность грунтовому основанию. Если первая совершенно её
не учитывает, то вторая – завышает, что приводит к концентрации краевых
давлений.
СНиП 2.02.01-83* [1] предлагает для расчета
осадок плитных фундаментов схему линейно-деформируемого пространства, либо слоя
конечной толщины. Однако приемлемые, доведенные до формул методики решения для данной
схемы основания отсутствуют и соответствующие вычисления можно выполнить только
с помощью специально разработанных вычислительных процедур, реализованных в
компьютерных программах.
При обзоре технической литературы следует
отметить Руководство [2] в котором неоднородность в плане по сжимаемости
основании определяется коэффициентом 
, зависящего от значений 
и 
– соответственно,
наибольшего и наименьшего значения приведенного по расчетным вертикалям модуля
деформации грунтов
, (1)
В данном случае расчетную схему основания
характеризуют переменным коэффициентом жесткости, который учитывает
неоднородность и распределительную способность основания. Данный коэффициент
жесткости определяется исходя из ожидаемых осадок S (x, y)
участков фундамента и возможных величин реактивных давлений p (x, y)
на этих же участках.
Также при проектировании плит необходимо
отметить Справочник [3]. Для учета распределения реактивных давлений под
подошвой фундамента применяется одна из двух теорий:
1) Основание работает согласно гипотезе
коэффициента постели (Винклера).
2) Основание работает согласно гипотезе упругого
полупространства.
В [3] сделана попытка связать коэффициент постели
и модуль деформации при равенстве осадок, вычисленных по обеим гипотезам. Но
при расчете изгибающих усилий в конструкциях плитного фундамента в конечном
счете получаются различные значения. Исключения составляют лишь узкие балки с
соотношением сторон более 10. На основе опыта проектирования, для расчета
основания, авторы [3] рекомендуют использовать метод упругого полупространства.
В статье [4] авторы представляют обзор развития
методов расчета плит на упругом основании, а также приводят метод расчета осадок,
основанный на послойном суммировании с учетом структурной прочности грунта,
который пригоден для расчета плитных фундаментов. Результаты, полученные по
данной методике, сопоставлялись с нормативными моделями линейно-деформируемого
полупространства и линейно-деформируемого слоя. При этом расчет ввелся с
некоторыми отступлениями от СНиП, что уменьшило погрешность результатов.
Сравнение расчетных значений осадок, полученных всеми упомянутыми тремя способами, производилось с данными натурных
измерений на 28 сооружениях с различными типами плитных фундаментов (рисунок
1).
Метод линейно-деформируемого полупространства
несколько переоценивает осадку, но основной дефект этого метода расчета осадки
состоит в очень большом разбросе его результатов.
Более серьезные претензии к методу
линейно-деформируемого слоя, который систематически занижает осадки, причем с
ростом осадок эта тенденция возрастает. Наконец предлагаемый метод наиболее
точен и в то же время в наименьшем числе случаев недооценивает осадку. Методика
данного работы применяется при расчетах в программе КРОСС,
ПК SCAD Office,
предназначенной для вычисления коэффициента постели по результатам геологических изысканий. Вводя в программу очертания
фундаментной плиты и сведения о площадке строительства, строятся изополя
коэффициентов постели. Для каждого слоя грунта, входящего в состав
основания, задается наименование, удельный вес, модуль деформации, коэффициент
Пуассона, отметки уровней слоев, положение уровня подземных вод. В порядке
контроля, автоматически могут быть построены геологические разрезы основания.
Рисунок 1 –
Сопоставление измеренных осадок Sm с расчетными Sc по методам: ○
- линейно-деформируемого полупространства (1); × - линейно-деформируемого
слоя (2); * - послойного суммирования с учетом структурной прочности (3).
Разработанная позже методика [5] учитывает деформируемость неоднородного
основания при расчете фундаментных плит. Суть данной методики заключается в
том, что реалистичных оценок по осадкам и распределительной способности
неоднородного основания под фундаментом произвольной формы можно добиться путем
обобщения метода послойного суммирования для достоверного расчета осадки не
только под центром, как в [1], но и для любой другой точки подошвы фундамента.
Тогда трехмерная задача сводится к набору
условно одномерных расчетов. При этом за основу берется положение [1] о расчете
по модели однородного упругого полупространства, с некоторыми допущениями. По
результатам расчетов и сравнением с измеренными осадками, данный метод показал
погрешность в 15%, в то время как метод линейно-деформируемого слоя – 40%, а
переменного коэффициента постели – 60%.
Необходимо отметить что данная публикация
подверглась множественной критике, в связи с тем что предлагаемая методика
направлена на усовершенствование инженерных методов расчета, вместо численного
решения трехмерной задачи. Также вводится большое количество допущений для
каждого конкретного расчетного случая, что приводит к потере изначальной
инженерной простоты соответствующих моделей, но не позволяет оценить точность получаемых решений.
Проводя обзор действующих нормативных
документов, имеющих рекомендательный характер, необходимо отметить, что при
проектировании и расчете оснований
фундаментов плитного типа, имеется ряд особенностей. При расчете фундаментов,
в соответствии с СП 50-101-2004 [6],
внутренние усилия в системе "основание-фундамент-сооружение"
допускается определять с использованием программ расчета сооружения на
основании, характеризуемом переменным в плане коэффициентом жесткости
(коэффициентом постели). При этом переменный в плане коэффициент постели должен
назначаться с учетом неоднородности в плане и по глубине и распределительной
способности основания. Этот коэффициент может определяться заранее или в
процессе последовательных приближений на основе линейной или нелинейной модели
основания. Процесс последовательных приближений включает следующие шаги:
1) задание начального распределения
коэффициента постели;
2) расчет совместных
перемещений сооружения, плитного фундамента и основания с принятым распределением
коэффициента постели k(х, у) при
действии заданных нагрузок и определение контактных давлений р(х,
у);
3) определение осадок
основания w(x, y)
с использованием принятой линейной или нелинейной модели основания, а также
следующего приближения для коэффициента постели
k(х,
у) = p(x, y)/w(x,
y); (2)
4) повторение шагов 2) и
3) до достижения сходимости по контрольному параметру (например, по
коэффициенту постели).
Также рекомендуется
выбирать наиболее неблагоприятные значения параметров жесткости основания и
модели основания для каждого расчета (в частности, расчет сечения верхней
арматуры производить при постоянном коэффициенте постели, а нижней - при
переменном).
В работе [7] авторы представляют программу, алгоритм
которой служит тем же целям, что и программа КРОСС, но с некоторыми отличиями:
использована рекомендованная в [6] схема определения осадки в отдельной точке
основания с учетом глубины заложения фундамента; выполнена оптимизация расчета
напряжений по методу «угловых точек»; применена методика учета фактической
инженерно-геологической информации, позволяющей избежать субъективной и
неоднозначной процедуры построения разрезов.
В Eurocode 7: Geotechnical design [8] сжимаемая толща
для плитного фундамента определяется, как правило, из условия что эффективное
вертикальное напряжение от нагрузки составляет 20% от напряжения, вызванного
весом слоев. Также, во многих случаях, данная глубина принимается в 1-2 раза
больше ширины фундамента. В данных нормах используется предположение, что
опорное давление под жестким фундаментом распространяется по линейному закону.
В тоже время указывается, что для
оптимального проектирования можно использовать более детальный анализ
взаимодействия конструкции с основанием. Приводится несколько методов
вычисления осадки фундамента:
1)
Метод зависимости напряжений от деформаций схожий с
методом послойного суммирования. В первую очередь вычисляются напряжения в
грунте, при допущении, что грунт однородный изотропный и давление имеет линейное
распределение. Затем вычисляются деформации в грунте под действием полученных
напряжений, используя значения зависимости напряжений от деформаций, полученные
из лабораторных испытаний. В конце для определения осадки суммируются
вертикальные деформации.
2)
Метод скорректированной эластичности.
Общую осадку
определяют с использованием теории эластичности и следующего уравнения:
(3)
где: s – осадка фундамента; b – ширина фундамента; p – опорное давление, линейно распределяющееся по основанию
фундамента; f – коэффициент осадки фундамента, который зависит от формы и
размеров площади фундамента, изменения жесткости в зависимости от глубины,
сжимаемой толщи, коэффициента Пуссона, распределения опорного давления и от
точки, для которой вычисляется осадка фундамента; Em –
расчетное значение модуля эластичности.
Данный метод следует использовать только в тех
случаях, когда не возникает существенной пластической деформации в грунте. В
случае с неоднородным грунтом формулу (3) следует использовать с осторожностью.
Таким
образом, можно сделать вывод, что имеется достаточная нормативно-методическая
база, рекомендующая расчетные модели взаимодействия плитных фундаментов с
грунтовым массивом. Имеется также широкий выбор компьютерных программ для
расчета плитных фундаментов, используемых в отечественной и зарубежной практике
проектирования. При проектировании плит европейские нормы схожи с
отечественными, но при этом носят более рекомендательный характер и проще в
процессе расчетов основных параметров основания и фундамента. Отечественная
литература предлагает большой выбор методов и подходов к проектированию плит, а
также имеются составленные на их основе расчетные программные комплексы, каждая
из которых имеет достоинства и недостатки.
Однако
в нормативных документах, сводах правил и научных собраниях нет конкретной
рекомендации по определению такой главной расчетной характеристики грунта, как
коэффициент постели. Предлагаемые косвенные величины определения или табличные
данные не могут надежно характеризовать величину коэффициента постели для
каждого конкретного случая с учетом размеров и формы фундамента, а также
изменчивости характеристик грунта по всей опорной площади плиты.
С
этой точки зрения можно рекомендовать разработку и изучение метода исследования
данных статического зондирования грунта по всей площади плиты. Метод может
обеспечить получение данных зондирования по достаточно частой сетке скважин по
сравнению с буровыми скважинами. Такой метод
может быть использован после проведения экспериментальных работ получения
корреляционной зависимости между данными испытания штампом и сопротивлением
грунта под наконечником зонда при статическом зондировании.
Литература
1.
СНиП
2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений». М.,2000.
2.
НИИОСП
им. Н.М. Герсеванова. Руководство по проектированию плитных фундаментов
каркасных зданий и сооружений башенного типа. – М.: Стройиздат, 1984.
3.
Сорочан
Е.А., Трофименков Ю.Г. Справочник проектировщика. Основания, фундаменты и
подземные сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
4.
Федоровский
В.Г., Безволев С.Г. Расчет осадок фундаментов мелкого заложения и выбор модели
основания для расчета плит// «ОФМГ».-2000.-№4-С.10-18.
5.
Безволев
С.Г. Методика учета деформируемости неоднородного упругопластического основания
при расчете фундаментных плит// «ОФМГ».-2002.-№5-С.8-14.
6.
СП
50-101-2004 «Проектирование
и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений». М., 2004.
7.
Шейнин
В.И., Сарана Е.П., Артемов С.А., Фаворов А.В. Алгоритм и программа инженерного
расчета осадок фундаментных плит с учетом неравномерности нагрузки на основание
и неоднородности массива// «ОФМГ».-2006.-№5-С.2-7.
8.
Eurocode 7 «Geotechnical design».
London., 2003.