Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

УДК 624.131

С.А. Кудрявцев, А.В. Кажарский, И.В. Шестаков

(Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск, Россия)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМОРОЖЕННЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЯ НА ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТАХ

В статье приведены результаты исследования процесса промерзания – морозного пучения – оттаивания промороженного основания здания на ленточных фундаментах в условиях в г. Хабаровске. Хабаровска. Результаты исследования позволили дать оценку деформаций системы «основание-ленточный фундамент-наземная конструкция» и разработать конструктивные рекомендации для предотвращения деформаций и защиты оснований и фундаментов здания от воздействия сил морозного пучения.

.

Ключевые слова: пучение, деформации, численное моделирование

1. Введение

Проблема проектирования и строительства на пучинистых грунтах актуальна в Дальневосточном регионе в связи с возрастающими объемами строительств и суровым климатом с глубоким сезонным промерзанием. Деформации промороженых грунтов в основании фундаментов вызываю серьезные повреждения зданий и сооружений, незавершенным объектам (без отопления).

Исследуемое здание состоит из четырех блок-секций (три 10-этажных из изделий КПД и одна 14 этажная монолитная блок-секция). Здание сложной формы в плане.

Фундаменты между компоновочными осями 1–3, 6–7 – монолитная железобетонная лента шириной 1000 мм, толщиной 300 и 500 мм из бетона класса В20. Под ленту выполняется бетонная подготовка из бетона класса В7.5 толщиной 100 мм. Стены подвала – стеновые блоки шириной 400 мм.

Проектирование и конструирование фундаментов необходимо производить комплексно в годичном цикле процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания. При этом должны быть проработаны конструктивные меры защиты оснований и фундаментов от влияния на сооружения этих негативных явлений.

2. Методика численного моделирования процесса промерзания.

Процессы промерзания-оттаивания описываются уравнением теплопроводности для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве следующим уравнением [Фадеев А.Б., 1987]

581

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

где Cth( f ) – удельная теплоемкость грунта (талого или мерзлого) (Дж/кГ К);

d – плотность сухого грунта (кГ/м3); Т – температура (К); t – время (с);th( f ) – теплопроводность грунта (талого или мерзлого) (Вт/м К); x, y, z – ко-

ординаты (м); qV – мощность внутренних источников тепла (Вт/м3).

Это уравнение позволяет определять величины входящего и выходящего теплового потока из элементарного объема грунта, оставляя основной поток объема грунта в точке во времени равным изменению величины теплооборотов.

Функция теплоемкости состоит из двух частей. Первая часть – объемная теплоемкость грунта (талого или мерзлого) и вторая часть – скрытая теплота фазовых переходов в интервале отрицательных температур поглощенная или отданная грунтом из-за изменений фазы грунтовой воды, представленная в виде:

где L0= 335 106 Дж/м3 = 335 103кДж/м3 = 8975 Btu/ft3 = 79760 ккал/м3 – те-

плота фазовых превращений вода-лед; Ww – влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды.

Подставляя соотношение (2) в выражение (1) получим полное дифференциальное уравнение:

3. Характеристика исследуемого основания

Район площадки строительства по природно-климатическим условиям относится к холодному климатическому району (подрайон 1В), характеризуемый суровым климатом. Сейсмичность района строительства составляет – 6 баллов. Расчетная снеговая нагрузка – 120 кг/м2, давление ветрового напора – 38 кг/м2. Продолжительность холодного периода (со средней суточной температурой ниже 0оС) составляет 211 суток, температура наиболее холодной пятидневки – минус 31 оС. Нормативная глубина промерзания грунта под оголённой поверхностью в соответствии со СНиП 2.02.01–83 равна 2,68 м.

На момент исследования на обследуемой площадке строительства возведена подземная часть жилого дома (рис. 1).

Исследуемое здание состоит из четырех блок-секций (три 10 этажных из изделий КПД и одна 14 этажная монолитная блок-секция). Здание сложной формы в плане. Фундаменты – монолитная железобетонная лента шириной (800 – 1200) мм, толщиной 300 и 500 мм из бетона класса В20. Под ленту выполняется бетонная подготовка из бетона класса В7,5 толщиной 100 мм. Под

582

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

зданием – подвал, отметка пола подвала –2,320. Стены подвала – стеновые блоки шириной 400 мм. Давление под фундаментной лентой не превышает расчетного сопротивления грунта основания 200 кПа.

Рис. 1. Подземная часть строящегося здания

4. Оценка промерзания основания

Составной частью «FEM-models» является программа «Termoground», которая позволяет исследовать с помощью численного моделирования в пространственной постановке процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле методом конечных элементов.

Решение задачи численного моделирования процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания проводится в два этапа. Первоначально решается теплотехническая задача, в результате которой определяются температурные и влажностные поля на каждый период времени. Вторым этапом решается задача определения напряженно-деформационного состояния грунтов основания в процессе морозного пучения и оттаивания.

В основу математической модели теплофизических процессов в программе «Termoground» принята модель промерзающего, оттаивающего

имерзлого грунта предложенная Н.А. Цытовичем и Я.А Кроником, В.Ф. Киселевым.

Для оценки пучения грунта был промоделирован процесс промерзания

иоттаивания грунта в период с ноября по июль. Температура поверхности задавалась подекадно со среднемесячной температурой в соответствии со СНиП 23-01-99. Для моделирования наиболее неблагоприятных условий уровень грунтовых вод принят на глубине 2,0 м. Характеристики грунта принимались в соответствии с Таблицей 2.

583

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Таблица 2

Теплофизические свойства грунта анализируемого основания при деградации вечной мерзлоты

На рис. 2 представлен график распределения температуры грунта в период с ноября по июль на различных глубинах.

Рис. 2. Распределение температуры по месяцам на глубине Н1 = 0 м; Н2 = 0.4 м; Н3 = 0.8 м; Н4 =1.2 м; Н5 =1.6 м

На февраль месяц глубина промерзания составила 1,6 м. Максимальная глубина промерзания составила 2,0 м. Решение задачи напряженнодеформационного состояния грунтов основания в процессе морозного пучения и оттаивания показало величину пучения грунта до 65 мм.

На рис. 3 представлен график деформаций поверхности при промерзании и оттаивании.

Рис. 3. График деформаций поверхности

584

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

5. Расчетная оценка деформаций основания здания

На рис. 4. приведено геологическое строение площадки строительства. В основании фундаментов залегает суглинок полутвердый.

Рис. 4. Геологическое строение площадки строительства на основании инженерно-геологических изысканий

Аналитический расчет осадки выполнен на основании инженерногеологических изысканий, так же определена глубина сжимаемой толщи. Расчет выполнен согласно СНиП 2.02.01–83 в программе Mathcad. Давление под фундаментной лентой не превышает расчетного сопротивления грунта основания равного 200 КПа. Рассчитанное расчетное сопротивление грунта основания выше среднего давления под подошвой ленточного фундамента.

В соответствии с данным аналитического расчета осадок здания методом послойного суммирования ожидаемая осадка здания на исследуемом основании составляет 2 см.

На рис. 5 приведены изолинии осадок ленточных фундаментов проектируемого здания, рассчитанных методом конечных элементов. Максимальная величина осадок составила S = (2–3.4) см.

Рис. 5. Изолинии осадок ленточных фундаментов, м

585

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Выводы

Максимальная глубина промерзания основания составила 2,0 м. Решение задачи напряженно-деформационного состояния грунтов основания в процессе морозного пучения и оттаивания показало величину пучения грунта до 65 мм.

Оценка деформаций системы «основание – фундамент – наземная конструкция», а так же определение деформаций основания при пучении и оттаивании грунта показала, что ожидаемая осадка здания составляет 2–3,4 см, что фактически соответствует осадке, рассчитанной инженерным методом и меньше предельного значения Su=15 см.

Литература

1.Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. 221с.

2.Карлов В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах / СПГАСУ. Санкт-Петербург, 2007. 362 с.

3.Кудрявцев С.А., Тюрин И.М. Теория и практика проектирования фундаментов зданий и сооружений в пучиноопасных грунтах Дальнего Востока: Учебное пособие. – Хабаровск: ДВГУПС, 1999. – 83 с.

586

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ИХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ

Материалы международной научно-технической конференции, посвящённой 80-летию образования кафедры геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ)

и 290-летию российской науки

Часть I

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 24.01.14. Формат 60 84 1/8. Бум офсетная. Усл. печ. л. 36,7. Тираж 300 экз. Заказ 4. «С» 3.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.

Отпечатано на ризографе, 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

587