Расчеты осадок сооружений и эффекты взаимодействия сооружений и оснований

Вводная часть

Расчеты осадок зданий и сооружений являются необходимыми для выбора рационального типа фундамента. Кроме того, расчет осадки позволяет более точно определить усилия в конструкциях сооружений и сконструировать их наиболее рациональным образом. Оба этих фактора предопределяют важность правильного прогнозирования осадок сооружений.

Основная часть

Грунт в основаниях сооружений находится в общем случае в условиях сложного напряженного состояния, причем это состояние меняется от точки к точке – напряжения и деформации в каждой точке грунтового основания различны. Распределение напряжений в условиях плоской задачи (ленточные фундаменты) показано на рисунке 1. Видно, что касательные напряжения возникают преимущественно под краями фундамента, а нормальные концентрируются под его центром.

Рисунок 1. Линии равных напряжений в массиве грунта (в долях от давления), где: а-линии одинаковых вертикальных напряжений; б-линии равных горизонтальных напряжений; в-линии равных касательных напряжений

Часть грунтового основания, даже при небольших нагрузках, всегда переходит в состояние предельного равновесия – прочность грунта исчерпывается, и нагрузка переходит на окружающие области, еще способные её воспринимать. Поскольку грунт всегда разрушается вследствие действия касательных напряжений – пластические области формируются в первую под краями фундаментов, где касательные напряжения достигают своих максимальных значений.

Совместные расчеты зданий и оснований сегодня являются требованием ФЗ №384. Приведем здесь содержание п.4 ст.16 ФЗ №384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»:

Расчетные модели (в том числе расчетные схемы, основные предпосылки расчета) строительных конструкций и основания должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. При этом должны быть учтены:

1) факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние;

2) особенности взаимодействия элементов строительных конструкций между собой и с основанием;

3) пространственная работа строительных конструкций;

4) геометрическая и физическая нелинейность;

5) пластические и реологические свойства материалов и грунтов;

6) возможность образования трещин;

7) возможные отклонения геометрических параметров от их номинальных значений.

Выполнение данных требований и наиболее корректный расчет осадки может выполняться только с помощью численного моделирования в специализированных геотехнических программных комплексах с применением нелинейных моделей грунтов.

Рассмотрим основные эффекты, проявляющиеся при взаимодействии зданий и оснований:

1) Концентрация напряжений по периметру в нижней части здания.

Рисунок 2 Распределение контактных давлений под круглым жестким штампом

Данный эффект является следствием решения известной задачи о вдавливании жесткого штампа в упругое полупространство. Эпюра распределения напряжений неравномерна, контактное давление возрастает к краям фундамента, что и приводит к концентрации напряжений в этих зонах. Влияние концентрации напряжений проявляется в нижней части здания на высоту, примерно равную ширине фундаментной плиты.

2) Изменение частот и амплитуд колебаний высотных зданий.

3) Увеличение нагрузок на крайние ряды свай и угловые сваи свайных фундаментов.

Рисунок 3 Распределение усилий в сваях при равномерной нагрузке

Все описанные эффекты возможно учесть с помощью совместных расчетов зданий и оснований.

Преимуществами совместных расчетов являются:

1) Наиболее точная оценка напряженно-деформированного состояния всех элементов системы;

2) Возможность передачи данных в виде коэффициентов постели для расчетов армирования в специализированных ПК (ing+, Лира).

Первый пункт включает в себя:

· Возможность учета сложного поведения грунтов;

· Моделирование реального напластования грунтов;

· Возможность корректного учета начального напряженного состояния;

· Выявление эффектов, возникающих вследствие взаимодействия здания и основания;

· Возможность корректного учета работы свай;

· Возможность учета поэтапного возведения зданий;

· Возможность учета разработки котлована и истории нагружения грунта в целом.

Для подтверждения правильности расчетов необходимо проводить верификацию расчетной модели. Она может заключаться в сопоставлении результатов полевых опытов и результатов расчета идентичной задачи в программном комплексе. Также необходимо проводить верификацию модели грунта на основе сравнения результатов расчета и лабораторных испытаний. Пример верификации модели на основе статического испытания сваи показан на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 Расчетная схема для верификации

Рисунок 5 Сравнение результатов расчета и результатов статического испытания сваи

Заключительная часть

Правильный подход к расчету позволяет быть уверенным в его результатах и позволяет наиболее точно оценить напряженно-деформированное состояние системы в целом. Пример расчетной схемы для совместного расчета показан на рисунке 6.

Стоит отметить, что для возможности использования нелинейных моделей грунтов необходимо их качественное исследование в ходе инженерно-геологических изысканий, которое включает проведение компрессионных и трехосных испытаний.

Рисунок 6 Расчетная схема для совместного расчета здания и основания

В результате выполнения совместного статического расчета возможно получить такие результаты как:

· Среднее и максимальное значение осадки, максимальная относительная разность осадок;

· Усилия в конструкциях здания;

· Напряжения в грунтовом массиве, зоны пластического равновесия;

· Горизонтальные перемещения верха здания;

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1) Современные геотехнические программные комплексы позволяют проводить совместные расчеты зданий и оснований, учитывая множество факторов;

2) Учет совместной работы зданий и оснований на основе МКЭ с применением нелинейных моделей грунтов позволяет наиболее точно оценить напряженно-деформированное состояние системы «здание-фундамент-основание».