Моделирование и оценка эффективности вертикально армированного основания плитного фундамента многоэтажного здания

Аленов К.Т., Бесимбаев Е.Т., Бисенов К.А., Шадкам А.С., Ниетбай С.Е., Молдамуратов Ж.Н. Моделирование и оценка эффективности вертикально армированного основания плитного фундамента многоэтажного здания. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(2):151–172. – EDN: YMAFFY.

В настоящее время зачастую появляются проблемы при освоении территорий, ранее нежелательных для строительства многоэтажных зданий. При повышении нагрузки на основание или неблагоприятных инженерно-геологических условиях площадок строительства обеспечение качества геотехнического проектирования является актуальным вопросом строительства.

Национальные нормы многих стран рекомендуют решение этих проблем технико-экономическими расчетами путем сравнения вариантов с другими традиционными решениями, применительно к конкретным инженерно-геологическим условиям. Несмотря на это, мы зачастую сталкиваемся с уве- личением нагрузки, передаваемой на основания фундамента, которое часто не приводит к желаемым результатам. Этот вопрос особенно остро встает, когда слабые грунты имеют значительную глубину залегания [1].

Более эффективным решением конструктивной схемы многоэтажных зданий с каркасно-пространственной системой является применение фундаментной плиты на естественном основании. Если строительство ведется на просадочных грунтах, это решение особенно актуально для обеспечения надежности строительных конструкций, фундаментов и оснований. Благодаря своей конструкции и способности к распределению нагрузок плитный фундамент обеспечивает высокую устойчивость и прочность конструкции.

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Несмотря на эти преимущества, эксперты отмечают возникновение упругопластических деформаций в контурной зоне фундаментной плиты. Поэтому для многоэтажных зданий рекомендуется свайный или свайно-плитный фундамент с улучшением строительных свойств грунтов основания [1–5].

Строительные нормы проектирования Казахстана, адаптированные под Еврокоды, в качестве улучшения строительных свойств грунтов основания рекомендуют армирование грунта основания вертикальными армирующими элементами [6, 7]. В данном случае армированный грунт следует рассматривать как искусственный грунтовый массив с улучшенными свойствами за счет наличия армирующих элементов. При армировании естественных грунтов в основаниях зданий и сооружений в обоснованных случаях следует использовать цементогрунтовые, щебеночные, песчаные, известковые и другие виды вертикальных армирующих элементов, за счет которых геомассив приобретает анизотропию механических и фильтрационных свойств и тем самым повышает несущую способность со снижением сжимаемости или изменением направления его деформаций либо ускорением консолидации в процессе уплотнения [8].

Анализ исследований показывает, что одним из важных преимуществ улучшения физико-механических характеристик грунтов армированием заключается в том, что оно позволяет создавать требуемое основание из имеющегося (местного) грунта. Это снижает трудоемкость работ по уплотнению грунта или их замене, повышает безопасность здания и сокращает сроки их возведения. Такой армированный грунт выдерживает неравномерные деформации зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях [9].

Отличительной особенностью вертикального стержневого армирования основания от обычных свайных фундаментов заключается в передаче нагрузки от вышележащих конструкций через грунт подушки на элементы вертикального армирования и на окружающий их грунт за счет сил трения. В этом случае работа армоэлемента в грунте обеспечивается боковым обжатием и силами трения. Армоэлемент через контактную поверхность с грунтом или с фундаментом воспринимает нагрузку своей верхней частью и передает ее на нижележащие слои своей нижней частью. Вертикальные стержни служат для восприятия сжимающих напряжений.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований показали, что напряженно-деформированное состояние плитного фундамента на основания, армированные вертикальными элементами, зависит от расчетной модели грунта, конструктивного решения вертикально армированного основания и множества других факторов [10–13].

Расчетно-экспериментальные исследования геотехнических объектов проводятся на двух наиболее популярных упругопластических моделях, модель Кулона-Мора и модель упрочняющегося грунта Hardening Soil. Результаты расчетов программой PLAXIS позволили учесть область применяемости моделей с целями задачи проектирования и рекомендуют модели упрочняющегося грунта Hardening Soil для расчетов напряженно-деформированного состояния строящихся геотехнических объектов, а модель Кулона-Мора – для оценки предельного напряженного состояния [14–20]

В последнее время во многих странах при оценке надежности геотехнических проектов практикуют концепции проектирования, основанные на показатели надежности и вероятной изменчивости всей пространственной системы, как надземных конструкций так и грунтового массива под сооружением [21–24].

Некоторые теоретические модели, основанные на нелинейном анализе, основываются на показателях надежности и вероятности разрушения или отказа. Еврокод EN 1997, основанный на условиях предельного состояния, также рассматривает предельное состояние (ULS), связанное с разрушением или отказом, с определением критериев отказа в зависимости от возможной причины отказа. Применение теории вероятностей в определении фактической прочности и коэффициента безопасности геотехнической системы использовалось для решения геотехнических задач с учетом рисков [25, 26].

Однако некоторые авторы рекомендовали быть осторожными при использовании индекса надежности, особенно когда функция производительности сильно нелинейна и случайные величины не имеют нормального распределения. Поэтому случайность как геотехнических параметров, так и нагрузок не должна допускаться нормами, применяемыми при проектировании фундаментов [27].

Среди всех существующих методов расчета армированных грунтовых оснований (эмпирический, аналитический и численный метод), позволяющих оценить с той или иной степенью точности напряженно-деформированное состояние грунта, ведущее место занимают численные методы. Эффективность численных методов связана с тем, что существующие аналитические методы расчета не позволяют с достаточной точностью прогнозировать осадки армированных оснований при деформациях грунтового массива из-за нарушений структуры грунта. Эмпирические методы имеют ограниченные условия применения и требуют для своей реализации проведения объемных и дорогостоящих натурных экспериментов. Для более точного прогноза в случае значительных осадков при переходе

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ грунтового основания в упругопластическую стадию работы необходимо решать нелинейную задачу с использованием методов расчета, позволяющих учитывать пластические характеристики работы грунта. В отличие от эмпирических и аналитических методов численные методы являются более универсальными.

Применение специализированных комплексных программ позволило учитывать нелинейные свойства грунтов основания при решении геотехнических задач. Использование современных ПК, таких как MIDAS GTX, Plaxsic 3D и других, при расчете плитного фундамента в сложных геологических условиях позволяет учитывать не только деформацию основания, но и напряженно-деформируемое состояние всей конструктивной системы, находящейся на плитном фундаменте [28-31].

Несмотря на это, в практике проектирования появляется множество вопросов, связанных с учетом неоднородности грунта в плане, напряженно-дефор-мируемого состояния армирующих элементов и пространства между ними во времени, установления необходимого количества и размеров армирующих элементов, целесообразного их размещения, прогнозирования несущей способности и деформируемости, выбора оптимальных способов производства работ с учетом требований экономичности, надежности и экологической безопасности принятого.

Целью настоящей работы является выявление закономерности напряженно-деформированного состояния армированных грунтовых массивов и разработка конструктивного решения вертикально армированного основания плитного фундамента многоэтажного здания. Исследование проведено на примере конструктивного решения армирования основания реального объекта.

1.1    Постановка задачи

Для решения поставленных задач рассмотрим напряженно-деформированное состояние большеразмерной плиты на упругом грунтовом основании. В случае содержания аномальных слоев вводится дополнительный коэффициент формы загруженной площадки bф = 2mэкв.

Таким образом, вертикальное перемещение основания жесткой фундаментной плиты определяется следующем приближенным аналитическим выражением:

_{w =} ^qH ₌   * PH ,

, £equ             cequ*°

где βэкв = bг×bф; βг – коэффициент Пуассона для грунтового основания;

Н – мощность деформируемого слоя;

Еэкв – эквивалентный модуль деформации грунтового основания;

• q – среднее давление под плитой;

S – площадь плиты.

Эквивалентный модуль деформации моделируемого однородного основания будет зависеть от метрических и физико-механических параметров слоев различной несущей способности и глубин их залегания.

При этом необходимо учесть, что при моделировании деформаций основания большеразмерной фундаментной плиты при равномерной нагрузке на плиту горизонтальные составляющие перемещения в любых горизонтальных плоскостях в плане плиты значительно меньше вертикальной составляющей. Поэтому их не рассматриваем.

Данный расчет, учитывающий совместную работу основания, плиты и надфундаментного строения, производится при следующих предпосылках:

• •    вертикальные перемещения точек здания и основания одинаковы;

• •    плита ортотропная постоянной толщины;

• •    силы трения между плитой и основанием отсутствуют;

• •    основание плиты характеризуется коэффициентом жесткости.

Проектирование основания реального объекта проводится из условия:

• •    определение требуемой длины армирующего элемента для обеспечения несущей способности деформируемой толщи массива грунта;

• •    определение расстояния между осями армирующего элемента для уменьшения деформации плитного фундамента.

Грунтовая подушка (буферный слой) толщиною 50 см устраивается послойным уплотнением щебенистого грунта, для равномерного распределения нагрузки на армированное грунтовое основание.

Способом устройства вертикально армирующего элемента в грунтовое основание рекомендована технология раскатки скважины как более эффективная и практичная.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для расчета используем программный комплекс PLAXIS 2D, основанный на методе конечных элементов, который используется для расчетов деформации и устойчивости различных геотехнических объектов. В качестве расчетной модели грунта выбрали упругопластическую модель упрочняющегося грунта HardeningSoil. Модель HardeningSoil более реально описывает пооведение грунтов при нагружении по сравнению с традиционной моделью Мора-Кулона и используется для более точного мо-

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ делирования поведения грунта под нагрузкой в геотехнической инженерии.

В качестве расчетного материала используем модель 9-этажного здания в монолитном исполнении, прямоуголной формы в плане, с размерами по осям 29,6×16,4 м. Конструктивная схема здания – перекрестно-стеновая (рис. 1).

Фундамент – монолитная плита высотой 100 см. Стены – монолитные, переменной толщины: плиты перекрытия – монолитные, толщиной 20 см. Все конструкции приняты из бетона класса В25.

Расчет ведется с использованием метода конечных элементов, для точного описания процессов, происходящих в сплошной грунтовой среде. На основе изменения геометрической формы сетки конечных элементов можно определить перемещение и усилия в узловых точках от внешних воздействий.

Основными выходными величинами расчета, на основе метода конечных элементов, являются перемещение и усилия в узловых точках основания и на плитном фундаменте.

Для расчета использовались данные инженерногеологических изысканий реального объекта. Ха- рактеристики грунтов по инженерно-геологическим элементам (ИГЭ) представлены в табл. 1.

Для построения геологической модели основания здания на PLAXIS приняли массив грунта с размерами сторон 80х120 м, который представлен на рис. 2, и данные геологической модели массива грунта в графическом виде рис. 3.

Расчетные характеристики фундаментной плиты для оценки напряженно-деформированного состояния при различных стадиях нагружения, подготовленные с помощью графических средств, приведены на рис. 4.

Среднее давление на фундаментную плиту от веса вышележащих конструкций и нормативных нагрузок составляет 20,0 т/м2 (рис. 5).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

В процессе нагружения основания весом фундаментной плиты и вышележащих конструкций получили деформированную схему массива грунта (рис. 6). Можно увидеть отличие в изменениях сетки конечных элементов.

Рис. 1. Конструктивная схема здания

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Таблица 1. Характеристики грунтов по инженерно-геологическому разрезу на глубину до 25 м

Наименование грунта	Основные характеристики грунтов	Дополнительные параметры для модели HSS
ИГЭ-1 супеси пылеватые серые с растительными остатками, с прослоями песка, текучие	γ = 18,8 кН/м 3 , ν = 0,35, с = 7 KPa, φ = 21, Е = 5400 KPa	E50 ref =5400 кПа, Eoed ref =5400 KPa, Eur ref = 16200 KPa, Ко = 0,642
ИГЭ-2 суглинки пылеватые серые неясно слоистые с растительными остатками текучие	γ = 18,9 кН/м 3 , ν = 0,35, с = 4 KPa, φ = 17, Е = 5000 KPa	E50 ref = 5000 кПа, Eoed ref = 5000 KPa, Eur ref = 15000 KPa, Ко = 0,708
ИГЭ-3 супеси пылеватые серые с гравием, галькой, с прослоями суглинка пластичные	γ = 21,4 кН/м 3 , ν = 0,35, с = 20 KPa, φ = 21, Е = 12 000 KPa	E50 ref = 12000 KPa, Eoed ref = 12000 KPa, Eur ref = 36000 KPa, Ко = 0.642
ИГЭ-4 супеси пылеватые серые с гравием, валунами с прослоями суглинка твердые	γ = 18,8 кН/м 3 , ν = 0,35, с = 7 KPa, φ = 21, Е = 5400 KPa	E50 ref = 5400 кПа, Eoed ref = 5400 KPa, Eur ref = 16200 KPa, Ко = 0,642

Рис. 2. Характеристики грунта по инженерно-геологическому разрезу в PLAXIS

Результаты расчета на модели грунта Hardening soil показывают, что максимальное значение деформации 124,3 mm зафиксировано в центральной части фундаментной плиты (рис. 7). При этом характер деформаций в форме осадочной воронки на поверхности основания также имеет большое сходство за счет использования в моделях единой теории упругого полупространства. Деформирование сетки конечных элементов в форме осадочной воронки, с уменьшением деформации ближе к краю плиты, соответствует развитию пластических деформаций в грунте.

Результаты по усилиям и изгибающим моментам в фундаментной плите от приложенной внешних воздействий соответствуют граничным условиям и заданной нагрузке. Максимальное усилие N, равное 1461,2 kN/m, зафиксировано по краям фунда- ментной плиты (рис. 8). Это можно объяснить неполной эпюрой контактных давлений на краях, аппроксимированной кусочно-постоянной функцией. Значение максимального момента М, 476,2 kN/m/m, зафиксированное на участках ближе к краевой зоне (рис. 9), связано с нелинейным поведением грунта и появлением зон пластических деформаций. Значение момента на фундаменте отличается в 3 раза. Расчеты показывают, что учет нелинейной работы основания существенно не влияет на напряженно деформированное состояние фундаментной плиты. С учетом нелинейной работы увеличивается только абсолютная осадка конструкции. Результаты, приведенные в данном расчете, показывают, что даже при однородных в плане свойств грунта учет пластического поведения основания в ряде случаев оказывает влияние на НДС плиты.

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 3. Геологическая модель массива грунта в графическом виде программы PLAXIS

Рис. 4. Характеристики фундаментной плиты толщиной 1,0 м (Бетон В25) в графическом виде программы PLAXIS

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 5. Среднее давление на плиту – 20,0 т/м ²

Рис. 6. Деформированная схема основания (Hardening Soil)

Осадка большеразмерной фундаментной плиты на нелинейно деформируемом неоднородном основании нелинейно зависит от нагрузки, что полностью соответствует многочисленным теоретическим и экспериментальным данным. Развитие больших деформаций во многом зависит от пластических деформаций, которые могут составить до 50% конечной осадки.

Результаты осадки основания от действующей нагрузки, представленной на рис. 7, показывают, что, деформация фундаментной плиты выше допустимых значений (65–100 мм). Результаты расчета указывают на проблему с несущей способностью основания в слоях грунта ниже уровня фундамента.

Проектирование армирования основания и параметров армирующих элементов

Анализ исследования устойчивости геотехнических сооружений показывает, что целенаправленное включение в грунт армирующих материалов повышает прочность и уменьшает деформативность основания, снижает неравномерность осадки здания. Практика проектирования основания фундаментов методом вертикального стержневого армирования показала себя как один из эффективных методов обеспечения устойчивости основания плитного фундамента.

Армированный геомассив в совокупности представляет собой композитную систему, которая

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 7. Деформация фундаментной плиты (max 124,3 mm)

Рис. 8. Значение усилия N на плитном фундаменте (max 461,2kN/m)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 9. Значение момента М на плитном фундаменте (max 476,2 kN/m/m)

в целом характеризуется приведенными характеристиками геомассива: модулем деформации Е2 и расчетным сопротивлением R2. В этой модели нагрузка от здания перераспределяется на весь массив закрепленного грунта, что исключает появление зон повышенных напряжений. Важное достоинство данного метода заключается в том, что по сути проектировщик конструирует основание, создавая необходимые физико-механические характеристики, необходимые для решения практических задач.

Нормы проектирования рекомендуют рассматривать упрочненное основание как трансверсальноизотропную среду и рассчитывать по двум группам предельных состояний: критические предельные состояния и предельные состояния по эксплуатационной пригодности.

В этом случае расчет оснований выполняется по достижении предельного состояния по разрушению или чрезмерным деформациям основания (GEO) из условия:

aR₂ + (1 — a)R_r > P, S_ar< S_u , (2)

где α = Vар/Vгр – коэффициент, характеризующий долю армирующих элементов в объеме усиливаемого грунта ((Vар) – объем армирующих элементов, (Vгр) – объем грунта);

R1 – расчетное сопротивление неармированного грунта под подошвой фундамента, кПа;

R2 – расчетное сопротивление материала элементов усиления при условии замены естественного грунта армирующим, кПа;

Р – среднее давление под подошвой фундамента, кПа;

Sар – осадка армированной части основания;

Su – предельное значение совместной деформации основания и сооружения.

Осадка армированной части основания (Sар) вычисляется методом послойного суммирования по формуле:

где hi – расчетная толщина i-го слоя грунта в пределах зоны сжатия армированного основания, принимается из условия 0.2 i h b (где (b) – ширина фундамента), м;

n – количество слоев, на которое разбивается сжимаемая толща армированного грунта;

σzp,i – среднее значение дополнительного вертикального напряжения в i-ом армированном слое, равное полусумме указанных напряжений на верхней

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

(Zi–1) и нижней (Zi) границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа;

E3 – модуль деформации армированного грунта в направлении, перпендикулярном поверхности грунта, кПа.

Деформативные характеристики (E, E3) следует определять экспериментально, а при отсутствии опытных данных – по приближенным формулам:

1 a 1 — a

E₃ — a * E_ap + (1 — a)E_u/_l , — — — I —   , (4)

E Efh Euh где Euh, Efh – модули деформации соответственно грунта и армирующих элементов, кПа.

При упрочнении грунтового массива вертикальными армирующими элементами, способными воспринимать повышенные сжимающие напряжения, следует использовать железобетонные, бетонные, цементогрунтовые вертикальные армирующие элементы, длины которых должны назначаться в пределах сжимаемой толщи грунта.

Предварительное количество армирующих элементов и их длину следует определять по формуле:

N_dM = F_d/Yd ,                      (5)

где Nd – расчетное воздействие, кН;

• n – количество армирующих элементов (вертикальных армирующих элементов);

• γ_d – коэффициент надежности по грунту;

Fd – несущая способность армирующих элементов (вертикальных армирующих элементов) по грунту (материалу), кН.

С целью уменьшения деформации плитного фундамента используем характеристики основания, армированного бетонными армирующими элементами DSM, из бетона В25. Характеристики бетонных армирующих элементов в графическом виде программы PLAXIS представлены на рис. 10.

В этом случае, когда армирование выполняется под плитный фундамент, нагрузка от вышележащих конструкций передается на грунтовый массив через армирующие элементы за счет сил трения. На представленной расчетной модели (рис. 9) работа армирующего элемента в грунте обеспечивается боковым обжатием и силами трения. Армирующий элемент через контактную поверхность с грунтом или с плитным фундаментом воспринимает нагрузку своей верхней частью и передает ее на нижележащие слои своей нижней частью. Здесь вертикальные бетонные армирующие элементы служат для восприятия сжимающих напряжений (рис. 11).

Анализ устойчивости армированного геомассива с колоннами DSM моделируется программным обеспечением Plaxis 3D. Для достижения оптимальных результатов предпочтительнее применять верти-

кальные армирующие элементы Ø300 мм и длиною L = 2,5 – 5,5–9,50 м. Расчетный анализ выполняется с помощью параметров, приведенных в табл. 2. При анализе армированного геомассива учитывались значения усилия, поперечной силы и изгибающего момента на на плитном фундаменте (рис. 12, 13).

Постановка задач: Моделирование напряженно-деформируемого состояния фундаментной плиты при разных сетках между осями – 2×2, 3×3, 5×5 м. Диаметр армирующего элемента 300 мм, длина 9,5 м (на глубину сжимаемой толщи).

Предварительный шаг армирующих элементов назначается от 7 до 11d диаметра армирующего элемента в зависимости от модуля деформации грунта, окружающего армирующий элемент, или из условий обеспечения совместной работы грунта в массиве, а также необходимой несущей способности уплотняемого основания.

В этом случае расстояние между центрами скважин определяют по формуле:

i_ck = 0.95d f^ ,                 (6)

Pdc~Pd где pd – плотность сухого грунта природного сложения, т/м3;

p_ds – средняя плотность сухого грунта в уплотненном массиве, т/м ³ .

В процессе бурения скважины раскатчиком зона грунта вокруг скважины уплотняется до определенного диаметра.

Для предварительных расчетов диаметр уплотненной зоны (ds), который может бытъ получен после раскатки, определяется по формуле:

^S ^— Yc ^л/ Pds/(.Pds~ Pd) ,               (7)

где d – диаметр РС, м;

ρ_ds – плотность сухого уплотненного грунта, т/м ³ ;

ρ_d – плотность сухого грунта естественного сложения, т/м ³ ;

γc– коэффициент условий работы грунта, принимаемый > 1.

Предварительный расчет диаметра уплотненной зоны для грунта площадки (рис. 12), для суглинка ρ_d = 1,88т/м ³ составляет 1,34 м, а также расстояние между центрами скважин 2,33 м.

Поэтому по конструктивным требованиям (ick = 7 до 11d) и на основании расчета минимальных размеров расстояние между центрами скважин принимаем 2×2 м.

Для окончательного выбора рационального варианта расстояния между центрами армирующих элементов для данного здания было решено выполнить анализ результатов изгибающих моментов и деформации в фундаментной плите (рис. 13–18).

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 10. Характеристики бетонных армирующих элементов (Бетон В25)

Рис. 11. Пространственная модель фундаментной плиты на бетонных армирующих элементах

Рис. 12. Зависимость диаметра уплотненной зоны от плотности грунта

Таблица 2. Расчетные параметры для ПК PLAXIS с учетом армирования основания

Условия загрузки	Среднее давление (т/м2 )	Вертикальная жесткость геомассива, т/м3
Статические условия (G+Q)	20,00	25,00

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 13. Деформация фундаментной плиты, шаг армирующего элемента - 2х2 м, длина сваи - 9,5 м (max 39,9 mm)

Рис. 14. Момент фундаментной плиты, шаг армирующего элемента 2х2 м, длина армирующего элемента 9,5 м (max 197,4 kN/m/m)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 15. Деформация фундаментной плиты, шаг армирующего элемента - 3х3 м, длина армирующего элемента – 9,5 м (max 48,04 mm)

Рис. 16. Момент фундаментной плиты, шаг армирующего элемента - 3х3 м, длина армирующего элемента – 9,5 м (max 263,1 kN/m/m)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 17. Деформация фундаментной плиты, шаг армирующего элемента - 5 * 5м, длина армирующего элемента – 9,5 м (max 62,6 mm)

Bending moments Mn (scaled up 5.00*10-3 times)

[kN m/m] 240,00

200,00

160.00

120,00

80,00

40.00

0,00

-40,00

-80,00

-120,00

■180,00

-200,00

-240,00

-280,00

X ------- -320,00

360,00

■ 400,00

Maximum value = 234.9 kN m/m (Element 96 at Node 102)

Minimum value = -385,4 kN m/m (Element 329 at Node 881)

CONNECT Edition

PrtfiKt 4SCnCt^n

PLAXIS 3D Hardening Soil

Раскатка_НЭ_расстояние_5м|10

28.06.2024

Рис. 18. Момент фундаментной плиты, шаг армирующего элемента - 5 ^ 5 м, длина армирующего элемента -9,5 м (max 385,4 kN/m/m)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Таблица 3. Зависимость изгибающих моментов и деформации фундаментной плиты от расстояния между армирующими элементами

Сетка между армирующими элементами, м	Изгибающий момент, КН/м2	Деформация фундаментной плиты, мм
Без армир. элемента	476,2	124,3
2 × 2	197,4	39,9
3 × 3	263,1	48,04
5 × 5	385,4	62,6

Количественная оценка результатов представлена в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что значение изгибающих моментов и деформации фундаментной плиты повышается с увеличением расстояния между армирующими элементами. При шаге 2×2 м получение минимальных значений деформации и изгибающих моментов связано с обеспечением жесткости основания за счет увеличения плотности основания армирующими элементами. С увеличением расстояния между центрами уплотненной зоны до 5 м, за счет увеличения осадка в фазе уплотнения и сдвигов между армирующими элементами, в 2 раза увеличено значение изгибающего момента и деформации в фундаментной плите. Полученные значения позволили выявить оптимальные параметры конструкции армирующего элемента.

Постановка задач: моделирование напряженно-деформируемого состояния фундаментной плиты при разных длинах армирующего элемента: L = 2,5м, L = 5,5 м, L = 9,50 м. Диаметр армирующего элемента 300 мм. Оптимальным шагом между центрами уплотненной зоны выбрали 2×2 м.

Для окончательного выбора рационального варианта длины армирующего элемента для данного здания было решено выполнить анализ результатов изгибающих моментов и деформации в фундаментной плите (рис. 19–24). Количественная оценка результатов представлена в табл. 4.

Как видно из рис.25, с уменьшением длины армирующего элемента увеличивается осадка основания и возрастает деформация фундаментной плиты. При малых размерах длины 2,5–5,5 м, в пределах сжимае-

Рис. 19. Деформация фундаментной плиты, длина армирующего элемента 2,5 м, (max 104,6 mm)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 20. Момент фундаментной плиты, длина армирующего элемента 2,5 м (max 430,2 kN/m/m)

Рис. 21. Деформация фундаментной плиты, длина армирующего элемента 5,5м (max 59,81 mm)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 22. Момент фундаментной плиты, длина армирующего элемента 5,5м (max 268,9 kN/m/m)

Рис. 23. Деформация фундаментной плиты, длина армирующего элемента 9,5 м (max 39,9 mm)

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 24. Фундамент. Момент М, длина армирующего элемента 9,5 м (max 197,4 kN/m/m)

Таблица 4. Зависимость изгибающих моментов и деформации фундаментной плиты от длины армирующего элемента

Длина армирующего элемента, м Изгибающий момент, КН/м Деформация фундаментной плиты, мм Без армир.элемента 476,2 124,3 2,5 430,2 104,6 5,5 268,9 59,81 9,5 197,4 39,9 мой толщи, армируемый элемент и окружающий его грунт работает по принципу метода равных деформаций, значение осадки зависит от их составляющих [32]. Эксперты также рекомендуют при оценке эффективных характеристик грунтового массива, усиленного армирующими элементами, учитывать эквивалентный модуль деформации армированного грунта [33–34]. С увеличением длины армирующего элемента значение эквивалентного модуля деформации армированного грунта возрастает, что эффективно влияет на снижение осадки армированного основания. Увеличение длины армирующего элемента от 2,5 м до 9,5 м позволило снизить деформацию фундаментной плиты в 3 раза, уменьшить величину изгибающего момента на 60% (табл. 4).

В итоге конструктивное решение вертикально армированного основания плитного фундамента мно-

гоэтажного здания: расстояние между армирующими элементами 2×2 м, длина – 9,5 м, диаметр 300 мм, материал – бетон В25. При этом максимальная расчетная осадка плитного фундамента S = 3,99 см. Предельная деформация основания в виде осадки согласно нормативной документации для многоэтажных зданий с полным железобетонным каркасом равна 15 см. Для зданий с фундаментами в виде сплошных плит предельные значения средних осадок допустимо увеличивать в 1,5 раза: [S] = 3,99 см·1,5 = 5,99 см. Так как максимальная расчетная осадка плитного фундамента S = 3,99 см меньше предельного значения средней осадки [S] = 3,99 см·1,5 = 5,99 см, то расчет по деформациям основания плитного фундамента выполнен успешно.

Увеличение несущей способности основания также связано с процессом устройства скважины

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 25. График зависимости деформации плиты от длины армирующего элемента

бурением со специальным буровым наконечником раскаткой. Суть заключается в уплотнении стенки скважины буровым наконечником в процессе бурения. Здесь важно учесть увеличение плотности грунта вокруг стенки скважины в 2 раза, эффективно влияют на сопротивление ствола сваи за счет бокового трения. Здесь также надо учесть исключение факта возникновения технологического зазора при технологическом погружений сваи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение можно сделать следующие выводы:

• 1.    Проведенные расчетно-экспериментальные исследования позволили обосновать эффективность применения армированных оснований на сильно сжимаемые грунты, с формированием жестких армирующих элементов с задаваемыми геометрическими размерами и физико-механическими и деформационными характеристиками.

• 2.    Исследованием установлено, что эффективность армирования основания плитного фундамента обеспечивается устройством грунтовой подушки (распределительного слоя) песчаного или граве-

• 3.    Результатами расчетов установлено, что конструктивное решение вертикально армированному основанию плитного фундамента, а именно, шагу расстановки, диаметру и длине армирующих элементов, необходимо назначить исходя из инженерно-геологических условий площадки строительства.

• 4.    Расчетно-экспериментальные исследования позволили выявить зависимости длины и шага расстановки армирующих элементов от глубины сжимаемой толщи массива слабого грунта. При малой длине армирующих элементов, в пределах сжимаемой толщи, наблюдаются деформации основания, превышающие допустимые пределы. Также увеличение шага расстановки армирующих элементов приводит к повышению деформации в фундаментной плите.

• 5.    Результаты исследования вертикально армирующих элементов на реальном объекте позволили увеличить несущую способность основания и снизить деформативность в 3 раза, что в значительной степени сократит время и затраты, необходимые для создания искусственных оснований.

• 6.    Применение раскатного оборудования при устройстве буронабивных вертикально армирующих элементов является перспективным и надежным методом обеспечения несущей способности и деформируемости основания. Создание уплотненной зоны при раскатке диаметром больше размера армирующего элемента увеличивает жесткость грунта в межэлементном пространстве, что намного повышает несущую способность основания.

• 7.    Однако следует отметить, что отсутствие учета пластических свойств грунтов в пространстве между армирующими элементами позволяет провести только качественную оценку с целью выявления необходимости внесения изменений в конструктивные решения плитного фундамента, для исключения зон высоких концентраций напряжений.

• 8.    Перспективой дальнейших экспериментов будут исследования пространственной работы системы «армирующий элемент – межэлементное грунтовое пространство» для определения оптимальных конструктивных решений армирования геомассива.

листого грунта на толщину меньше плитной части фундамента.