Проектирование фундаментов многоэтажного здания на элювиальных грунтах с применением модели нелинейного деформирования грунта

Алехин А.Н., Алехин А.А., Алехин В.Н.

Опыт проектирования фундаментов многоэтажного здания на элювиальных грунтах Урала с применением модели нелинейного деформирования грунта.

Аннотация. В статье описан первый пример проектирования фундамента высотного здания на Среднем Урале с использованием нелинейной модели грунта. Использование эффективной модели, отражающей реальные деформационные свойства грунта, позволило снизить стоимость фундамента более чем в два раза при одновременном повышении его надежности.

Элювиальные грунты, как первичные продукты выветривания скальных грунтов обладают высокими прочностными свойствами и малой деформативностью; на Урале их мощность может достигать значительных размеров. Тем не менее, нередко необоснованно проектируется проходка этих твердых грунтов сваями, что нередко оказывается экономически и технически нецелесообразным решением. Немаловажен при этом и факт негативного влияния нарушения элювиального твердого слоя элювиального грунта, являющегося геологической базой верхних грунтов строительной площадки, которые в свою очередь являются основанием водонесущих и других коммуникаций возведенных и вновь строящихся зданий и сооружений. В то же время современные требования к геотехническому проектированию, в первую очередь из-за многократного увеличения мощности персональных компьютеров, направлены на учет реальных механических свойств грунтов при проектировании фундаментов. Эти реальные механические свойства, основанные на физической природе грунтов, реализуются в их физически и геометрически нелинейном характере деформирования. Геометрическая нелинейность, связанная с большими смещениями в грунтовых массивах, отражается геометрическими соотношениями [1] в разрешающих уравнениях задачи. Существо физической нелинейности заключается в зависимости жесткости грунта от его напряженного состояния. Таким образом, исходные (базовые) жесткостные характеристики грунта (модуль объемной деформации K и модуль сдвига G), в отличие от теории Гука, изменяются с изменением напряженного состояния грунта.

Диаграмма на рисунке 2 типична для конструкционных материалов (металлы, бетон, резина), а также для скальной породы. Как следует из диаграммы для конструкционных материалов и для породы, исходные (базовые) характеристики жесткости K и G могут рассматриваться как независимые от напряжений константы, в то время как для грунтов они являются функциями напряжений. Графики на рисунке 1 могут быть выражены с помощью формул (1) [3,4]:

Из соотношений (1) и (2) следует, например, увеличение модуля деформации E с увеличением глубины [7, 8], что не предусмотрено теорией Гука с постоянным модулем E.

Одним из основных следствий этой особенности грунтов является различие в результатах их статических испытаний различными методами. Однако основным отличием грунтов от конструкционных материалов является их естественное происхождение на протяжении миллионов лет, в течение которых формировалась не только их структура грунтов, но и их естественное напряженное состояние. Такая история формирования грунта в принципе не может быть воспроизведена в лабораторных условиях, в результате чего расчетные деформации грунтовых оснований по лабораторным данным отличаются от фактических величин примерно в два раза [8]. Следовательно параметры A0, a, A, B, C физически нелинейной модели грунта должны определяться из результатов полевых испытаний. Для этой цели могут применяться только прессиометры и штампы, (желательно автоматические, аналогичные, изображенным на рисунках 3, 4, 5), поскольку только эти устройства позволяют в максимально возможной степени сохранить природное состояние грунта и то при технологически правильной установке этих приборов в грунтовом массиве и методически правильном проведении испытаний, учитывающем особенности применяемой для анализа их результатов физически нелинейной модели грунта. в этом случае отклик природного состояния грунта на величину определяемых параметров в опыте будет наиболее достоверным, поскольку только эти устройства позволяют в максимально возможной степени сохранить природное состояние грунта в испытании при условии технологически правильной установки этих приборов в грунтовом массиве и методически правильном проведении испытаний, учитывающем особенности применяемой для анализа их результатов физически нелинейной модели грунта.  

Коробчатая форма фундамента была принята из-за наличия на всей строительной площадке большой толщи насыпного грунта, которую необходимо было конструктивно преодолеть, чтобы передать нагрузку от здания на надежный несущий слой элювиального грунта. Характеристики нелинейной модели грунта определялись методом, описанным в [10], главной особенностью которого является специальная, (с использованием методов минимизации), обработка результатов полевых испытаний грунтов в условиях так называемой некорректной (неустойчивой) задачи [11], с регуляризацией ее решения с учетом геотехнических свойств грунтов, включая использование, предварительных приближенных значений некоторых параметров нелинейной модели грунта из результатов вспомогательных лабораторных механических испытаний. Для определения окончательных значений параметров нелинейного деформирования грунтов, соответствующих их природному состоянию, использовались данные прессиометрических (см. рис.7) и штамповых (см. рис. 8) испытаний.

В процессе возведения здания проводились геодезические наблюдения за его осадкой, которые показали хорошее совпадение с данными расчетов на основе физически нелинейной модели грунта и напротив серьезные, аналогичные указанным в [6], отклонения от результатов расчетов с использованием модели Гука (модели линейного деформирования). Фундамент, спроектированный с учетом нелинейных свойств грунтов, оказался почти в два раза дешевле, чем фундамент, спроектированный на основе устаревших методов линейной теории Гука: стоимость строительства фундамента с учетом нелинейных свойств почв составляла 0,7 миллиона долларов (48 миллионов рублей), тогда как на основе линейной теории было 1,3 миллиона долларов (85 миллионов рублей). Рисунки 9 и 10 иллюстрируют различные этапы строительства многоэтажного здания и его фундамента.

Выводы

1. Фундаменты и подземные сооружения должны проектироваться на основе нелинейной теории грунтов. В этом случае можно спроектировать и построить наиболее надежные и дешевые их конструкции.
2. Параметры нелинейных моделей грунта должны определяться по данным полевых (in-situ) испытаний.
3. Использование эффективной модели, отражающей реальные деформационные свойства грунтов, позволило снизить стоимость фундамента более чем в два раза при одновременном повышении его надежности.

Список литературы

1. Новожилов В.В. Теория упругости. –  Л.: Судпромгиз, 1958. –  370 с.
2. Мейз Дж. Теория и задачи механики сплошных сред. – М.: Изд-во «Мир», 1974. – 318 с.
3. Боткин А.И. Исследование напряжённого состояния в сыпучих и связных грунтах // Известия научно-исследовательского института гидротехники. Том XXIV. М-Л., 1939. С. 153-172.
4. Kriegel H.J., Wiesner H.H. Problems of Stress-Strain Conditions in Subsoil. – Proc. Of VIII-th ICSMFE. – vol. 1.3., Moscow, 1973, p. 133-141.
5. Малышев М. В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. – М.: Стройиздат, 1994. – 227 с.
6. Ухов С.Б., Семенов, В.В. Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты/ Учебное пособие: – М.: Высшая школа, 2002. – 566 с.
7. Клейн Г.К. Учет неоднородности, разрывности деформаций и других механических свойств грунта при расчете сооружений на сплошном основании. – В кН.: Сб. трудов МИСИ им. В.В. Куйбышева, №14. – М.: Госстройздат, 1956, С. 168-180.
8. Алехин А.Н. Нелинейный анализ напряженно- деформированного состояния грунтовых массивов при статическом нагружении: Дисс… канд. техн. наук, УПИ. Свердловск, 1982. – 186 с.
9. Федеральный закон от 30.12.2009 N 384-ФЗ (ред. от 02.07.2013) "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".
10.  Алехин А.Н. Обоснование метода определения параметров нелинейной модели грунта по данным его полевых испытаний // Академический вестник УралНИИпроект РААСН – Екатеринбург: УралНИИпроект,2015. – №1. – С. 57 – 62.
11. 11.Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука,1979.– 285 с.

Благодарности

1. Авторы благодарны руководству Группы «ЛСР-Екатеринбург» за техническую возможность и экономическую поддержку при проверке технико-экономической эффективности современной геотехнической модели грунта в реальных условиях строительства.
2. Авторы благодарны также руководству строительного института Уральского Федерального университета за предоставленную возможность публикации этого, на наш взгляд, важного для современной практики строительства сообщения.

Примечание: На публикацию статьи дал своеличное согласие автор - Алехин А.Н.