Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование оснований и фундаментов. Учебно-методическое пособие.pdf
Д.Ю. Чунюк, Е.С. Соболев
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
Учебно-методическое пособие
ISBN 978-5-7264-3540-4
Москва
Издательство МИСИ – МГСУ
2024
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.15:004.9
ББК 38.58-05
Ч-91
Авторы:
Н.В. Фёдорова, О.А. Ветрова, И.В. Гиясова, Б.И. Гиясов, П.А. Кореньков, А.А. Василькин,
А.В. Алексанин, Н.В. Купчикова, О.О. Коренькова, Н.Г. Серегин, А.А. Бунов
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент В.Е. Русанов, генеральный директор НИЦ ТА;
доктор технических наук, профессор М.Г. Зерцалов,
профессор кафедры механики грунтов и геотехники МГСУ
Чунюк, Дмитрий Юрьевич.
Ч-91 Моделирование оснований и фундаментов [Электронный ресурс] : учебно-
методическое пособие / Д.Ю. Чунюк, Е.С. Соболев ; Министерство науки и высшего
образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский
государст венный строительный университет, кафедра механики грунтов и геотехники. — Электрон. дан. и прогр. (1,2 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ,
2024. — URL: http://lib.mgsu.ru. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3540-4 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-3541-1 (локальное)
В учебно-методическом пособии рассмотрены теоретические аспекты моделирования
оснований и фундаментов. Приведены сведения о необходимых для моделирования оснований
и фундаментов свойствах грунтов. Рассмотрены расчетные комплексы и программы, применяющиеся при моделировании. Выделены особенности моделирования различных типов фундаментов.
Для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство.
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
Учебное электронное издание
Чунюк Дмитрий Юрьевич, Соболев Евгений Станиславович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ
Учебно-методическое пособие
Редактор В.А. Киселева
Корректор Ю.М. Викторова
Компьютерная правка и верстка О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS5.5, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 23.08.2024. Объем данных 1,2 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 5
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1.1. Основные физические свойства
1.2. Основные механические свойства ........................................................................... 10
1.3. Связь физических и механических характеристик грунтов ................................... 11
1.4. Нормативные документы для определения свойств грунтов ................................. 12
Глава 2. РАСЧЕТНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
2.1. Основные расчетные комплексы
2.2. Использование коэффициентов жесткости упругого основания .......................... 16
2.3. Расчетные модели и их применимость .................................................................... 17
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ
ОСНОВАНИЙ
3.1. Линейно-упругая модель (Linear Elastic)
3.2. Упругопластическая модель (Mohr — Coulomb) ....................................................... 19
3.3. Упругопластическая модель с упрочнением грунта (Hardening Soil) ...................... 20
3.4. Модель слабого грунта (Soft Soil) ............................................................................. 21
3.5. Модель скального грунта (Hoek — Brown) ............................................................... 22
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ФУНДАМЕНТОВ
4.1. Особенности моделирования с учетом типа фундамента ....................................... 24
4.2. Этапы создания расчетной модели .......................................................................... 26
4.3. Вариативность геотехнических расчетов ................................................................ 27
4.4. Интерфейсные элементы ......................................................................................... 27
4.5. Валидация и верификация моделей ........................................................................ 29
................................................................................................................ 19
........................................................................................................... 24
................................................................................ 9
.............................................. 14
............................................................................. 14
................................................................. 19
......................... 9
Вопросы для самопроверки
Вопросы для самостоятельного изучения
Заключение
Библиографический список
......................................................................................................................... 34
................................................................................................ 32
............................................................................................... 35
.......................................................................... 33
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование оснований и фундаментов — это процесс создания математических
моделей, которые описывают поведение грунтов и конструкций, взаимодействующих
с ними. Основная задача моделирования на этапе проектирования — прогнозировать и анализировать деформации, напряжения и другие характеристики грунтового массива, вмещающего подземные конструкции.
Моделирование включает учет физических и механических свойств грунта и материала подземных конструкций, геометрию строительных элементов, а также условия окружающей среды. Оно помогает определить оптимальные параметры фундамента для обеспечения его надежности и устойчивости.
Модели, применяемые в расчетах, разработаны с использованием различных методов, включая аналитические, численные, например метод конечных элементов (рис. 1.1),
и физическое моделирование в лабораторных условиях.
Рис. 1.1. Разбивка расчетной схемы на конечные элементы
Моделирование осуществляется в рамках проектирования различных инфраструктурных объектов, таких как основания, фундаменты, заглубленные и подземные сооружения, котлованы, насыпи и подпорные стены. Комплекс геотехнических работ по моделированию включает в себя несколько этапов, в том числе проведение геотехнических
изысканий, разработку геотехнического обоснования строительства, создание проекта,
сопровождение строительства и осуществление мониторинга.
В процессе нового строительства и реконструкции зданий и сооружений в соответствии с требованиями СП 22.13330.2016 [3] необходимо проводить моделирование для следующих типов сооружений:
– особо опасных и уникальных;
– с повышенным уровнем ответственности;
– геотехнической категории 3;
– с подземной частью, глубина заложения которой превышает 5 м;
– в зоне воздействия на окружающую застройку;
– размещаемых на территориях с возможным развитием опасных инженерно-геологических процессов.
5
При выполнении работ по моделированию оснований и фундаментов одним из основных этапов является оценка взаимодействия системы «сооружение – фундамент –
грунтовое основание». Данный тип расчетов может выполняться различными программными комплексами, реализующими метод конечных разностей, метод конечных
элементов или решение контактной задачи. Большинство современных прикладных расчетных комплексов предоставляют возможность расчетов различных геотехнических задач с учетом пространственной жесткости сооружений, нелинейного поведения грунтов
основания и неблагоприятных инженерно-геологических процессов.
Для правильного формирования расчетной модели, проведения вычислений и анализа результатов необходимо обладать глубоким пониманием основ механики грунтов
и прикладной математики. При численном моделировании геотехнических задач особое
внимание следует уделять аспектам деформируемости, прочности и фильтрационной консолидации грунтов.
При моделировании оснований, фундаментов и подземных сооружений учитываются следующие факторы:
– инженерно-геологическое строение основания и физико-механические характеристики грунтов на месте строительства;
– гидрогеологические особенности места строительства;
– конструктивные решения и технологические параметры проектируемых объектов;
– окружающие здания, наземные и подземные сооружения, инженерные сети, дороги. Учитываются как воздействие проектируемого здания или сооружения на существующие объекты, так и обратное влияние;
– климатические характеристики района, сейсмичность, наличие горных выработок
и другие факторы.
В процессе моделирования проводится оценка параметров напряженно-деформированного состояния грунта в основании планируемых зданий и сооружений. Вычисляются абсолютные и относительные осадки фундаментов, инженерных сетей и прочих конструкций, подверженных воздействию возведенного или реконструированного
сооружения. На основе проведенных расчетов разрабатываются предложения по устройству фундаментов и подземных частей планируемых зданий и сооружений. При необходимости определяются методы укрепления конструкций существующей застройки, составляется перечень компенсационных мероприятий, устанавливается оптимальная
последовательность строительно-монтажных работ и выделяются отдельные этапы в процессе их выполнения.
Для проведения моделирования применяются современные программные комплексы, такие как Plaxis, Midas, Z-Soil, GeoWall, Lira (Грунт) и другие с применением различных моделей грунтов, которые предназначены для описания их механического поведения
(рис. 1.2). На сегодняшний день разработано большое количество моделей, каждая из которых имеет свои параметры, область применения и ограничения по использованию в различных условиях. Выбор правильной расчетной модели и корректного набора параметров
во многом определяют результаты геотехнического прогноза.
Моделирование оснований и фундаментов (геотехнические расчеты и проектирование конструкций) выполняется в следующем порядке:
1. Анализ геотехнической ситуации: проведение обмерных и обследовательских ра-
бот существующих зданий и сооружений в районе площадки строительства.
2. Изучение документации: анализ имеющейся документации и архивных материалов.
3. Инженерные изыскания: проведение инженерных изысканий.
4. Оценка влияния процессов: оценка воздействия различных природных и техногенных процессов на проектируемые и существующие объекты на рассматриваемой площадке.
6
5. Геотехнические расчеты и рекомендации: проведение необходимых геотехнических расчетов; разработка рекомендаций по выбору или оптимизации проектных решений и мероприятий.
6. Программа геотехнического мониторинга: составление программы геотехнического мониторинга и сопровождения строительных работ.
7. Наблюдение за условиями и поведением конструкций: осуществление наблюдения за грунтовыми условиями и поведением конструкций воздвигаемых зданий и сооружений; мониторинг окружающей застройки в период выполнения строительных работ.
8. Геотехнический мониторинг в период эксплуатации: геотехнический мониторинг
объектов строительства в начальный период их эксплуатации.
Рис. 1.2. Пример численного моделирования взаимодействия сооружения и грунтового
основания. Изополя деформаций1
Моделирование оснований и фундаментов сопровождается рядом трудностей, кото-
рые необходимо учитывать:
1. Недостаток данных: ограниченная или неоднородная информация о свойствах
грунта может снизить точность моделирования и привести к недостоверным результатам.
2. Изменения во времени: необходимость учета изменений свойств грунта и фундамента с течением времени, например, из-за изменений влажности или нагрузок, может
усложнить моделирование.
3. Неоднородность грунта: встречающиеся в разных местах различия в типах грунтов
и их свойствах требуют более сложных моделей для точного предсказания поведения фундамента.
4. Неопределенность граничных условий: точное определение граничных условий,
таких как глубина заложения фундамента или воздействие поверхностных вод, может быть
вызовом из-за неопределенности данных.
1
URL: https://geoinfo.ru/product/ooo-nip-informatika/ronald-brinkgreve-o-tom-chto-takoe-chislennoe-
modelirovanie-mkeh-v-geotekhnike-i-o-validacii-modelej-42235.shtml (дата обращения: 17.05.2024).
7
5. Сложности валидации: проверка точности моделирования на практике может быть
сложной, особенно при отсутствии достаточных данных о фактическом поведении грунта и фундамента.
Моделирование оснований и фундаментов способствует оптимизации технических
решений при строительстве в сложных геологических условиях. Это повышает надежность
и безопасность объектов, а также уменьшает отрицательное воздействие строительства
на существующие здания и сооружения окружающей застройки.
8
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1.1. Основные физические свойства
Дисперсные грунты характеризуются рядом физических свойств, включая размер частиц, структуру, пористость, плотность и влажность.
Физические свойства грунтов необходимы для математического моделирования оснований и фундаментов по нескольким причинам. Во-первых, физические свойства грунтов, такие как плотность, влажность и т.д., определяют их поведение под нагрузками и распределение их по подземным конструкциям. Во-вторых, эти свойства влияют на поведение
грунтов при различных нагрузках: например, упругие грунты могут упруго деформироваться под нагрузкой, а пластичные могут показывать пластическое поведение.
Основные физические характеристики грунтов:
– плотность и пористость грунтов: эти параметры оказывают влияние на деформируемость и несущую способность грунтового основания. Пористость также определяет
способность грунта вмещать воду;
– влажность грунта: содержание влаги в грунте влияет на его несущую способность,
скорость деформирования и устойчивость, а также важно для расчета напряжений и деформаций с учетом фактора времени;
– размеры и форма зерен: гранулометрический состав грунта определяет его фильтрационные свойства, проницаемость и способность к уплотнению;
– показатели консистенции глинистых грунтов, которые определяют их пластичность и текучесть, включают в себя три параметра — предел текучести, предел пластичности и предел сжатия:
1) предел текучести (liquid limit) — это влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее; 2) предел пластичности (plastic limit) — это
влажность, при которой глинистый грунт перестает быть пластичным и становится твердым;
3) предел усадки (shrinkage limit) — это содержание воды, при котором дальнейшая
потеря влаги не приведет к большему уменьшению объема.
Физические свойства грунтов играют ключевую роль в численном моделировании
в геотехнике, влияя на различные аспекты поведения грунтов.
Плотность грунта:
– высокая плотность грунта обычно приводит к увеличению его прочности и устой-
чивости;
– низкая плотность может привести к большей деформации и осадкам фундаментов.
Влажность грунта:
– влажность влияет на многие механические свойства грунта, включая его прочность
и сжимаемость;
– грунты с высокой влажностью могут проявлять пластическое поведение.
Теплофизические свойства:
– теплопроводность и теплоемкость грунта важны при моделировании геотермиче-
ских процессов в грунте;
– температурный режим грунтовой среды влияет на температуру в подземных поме-
щениях и долговечность материалов, из которых выполнены подземные конструкции.
Другие параметры:
– набухание и усадка, прочность, реологические свойства и другие физические характеристики грунта могут влиять на результаты моделирования в зависимости от конкретной задачи.
Учет этих физических свойств в численных моделях позволяет более точно прогнозировать поведение грунта под воздействием различных нагрузок и условий.
9
1.2. Основные механические свойства
Прочностные и деформационные свойства грунта играют важную роль в моделировании оснований и фундаментов. Основные механические свойства грунта, которые используются при моделировании оснований и фундаментов, включают в себя коэффициент внутреннего трения, упругие и пластические свойства, а также параметры
упругопластического поведения.
1. Прочность грунта: прочностные свойства грунта включают его сдвиговую прочность и сопротивление растяжению. Сдвиговая прочность определяет способность грунта сопротивляться сдвиговым напряжениям, например, при деформации под нагрузкой.
Сопротивление растяжению характеризует способность грунта сопротивляться растяжению и разрыву.
2. Деформируемость грунта: деформационные свойства грунта связаны с его способностью деформироваться под воздействием нагрузок и включают в себя коэффициенты
упругости, модуль деформации, пластичность, скорость деформирования и т.д. Упругие
деформации в грунтах способны восстанавливаться после удаления нагрузки, в то время
как пластическая составляющая деформаций является необратимой.
3. Водопроницаемость грунтов: фильтрационные свойства, описывающие компрессионное сжатие и распространение напряжений в грунте с учетом движения воды, такие
как коэффициент фильтрации, коэффициент водонасыщения, коэффициент консолидации и другие.
Прочностные и деформационные свойства грунтов используются при прогнозировании поведения грунтового основания под нагрузкой, выборе соответствующих методов
укрепления и дренирования, а также разработке устойчивых конструкций фундаментов
и оснований.
Механические свойства грунтов играют решающую роль в численном моделировании в геотехнике, поскольку они определяют поведение грунта под воздействием нагрузок:
Прочность грунта:
– высокая прочность грунта обеспечивает устойчивость и сопротивление деформации;
– грунты с низкой прочностью могут подвергаться значительным деформациям и разрушению.
Сжимаемость и деформируемость:
– модуль деформации и коэффициент Пуассона определяют способность грунта подвергаться уплотнению и деформации под действием нагрузок;
– грунты с высокой сжимаемостью могут привести к значительным деформациям
подземных конструкций;
– коэффициент Пуассона влияет на передачу напряжений в грунте и его деформацию.
Фильтрационные свойства:
– скорость фильтрации воды в грунтах определяет скорость деформирования грунтов;
– проницаемость грунта и его способность удерживать воду оказывают влияние
на гидростатическое давление и процессы фильтрации;
– глубина залегания подземных вод и скорость движения влияют на расположение
подземных конструкций в грунте и определяют проект строительного водопонижения,
дренажа и гидроизоляции подземных конструкций.
Корректный учет механических свойств при моделировании оснований и фундаментов позволяет прогнозировать поведение грунта с учетом различных факторов.
10