Определение предельной величины крена фундамента в результате его взаимодействия с надфундаментной конструкцией

Оригинальная статья / Original article УДК 624.15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ КРЕНА ФУНДАМЕНТА В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С НАДФУНДАМЕНТНОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ

© С.И. Алексеев, С.О. Кондратьев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9.

Резюме. Цель. Изучение вопроса о расширении перечня существующих проверяемых условий при расчете основания по второй группе предельного состояния (по деформациям) дополнительной проверкой исходя из совместной работы узла «фундамент - надфундаментная конструкция». Методы. Используются методы инженерных расчетов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость. Рассмотрение указанного вопроса ведется с позиции метода предельных состояний. Результаты. Рассмотрен в качестве примера один из распространенных узлов сопряжения «фундамент - надфундаментная конструкция», предложена формула для определения предельного крена фундамента исходя из прочностных характеристик вышерасположенных конструкций. Выводы. Предложенная методика учета деформации основания и соответствующего крена фундамента позволяет корректнее определить напряженно-деформированное состояние в указанном узле сопряжения.

Ключевые слова: крен фундамента, предельный крен, узел сопряжения, совместная работа конструкций, вторая группа предельного состояния, расчет по деформациям.

Формат цитирования: Алексеев С.И., Кондратьев С.О. Определение предельной величины крена фундамента в результате его взаимодействия с надфундаментной конструкцией // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7. № 1. C. 53-58.

SPECIFICATION OF LIMITING VALUE OF FOUNDATION HEEL AS A RESULT OF ITS INTERACTION WITH OVER-FOUNDATION CONSTRUCTION

© S.I. Alekseev, S.O. Kondratiev

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation.

Abstract. Purpose. In this work we held the studies of the question about the enlargement of the existing examined conditions during the calculation of the foundation in the second group of limit behavior (of deformations) with the help of extra check based on the mutual work of the hub "foundation - over-foundation construction". Methods. Methods of engineering calculations of constructions are used to assess endurance, rigidity and steadiness. Consideration of the mentioned question is held from the position of the method of limiting conditions. Results. As an example we considered one of the wide-spread junction hubs "foundation-over-foundation construction", offered formula to define maximum sideways inclination of foundation, taking into account structural capabilities of the above-situated constructions. Conclusions. Suggested methods of deformation calculation of the foundation allows to define stress-strain behavior in the mentioned hub of junction in a more detailed way.

Keywords: foundation inclination, maximum sideways inclination, hub of junction, joint work of constructions, second group of limit behavior, calculation according to deformations

For citation: Alekseev S.I., Kondratev S.O. Specification of limiting value of foundation heel as a result of its interaction with over-foundation construction. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 1, pp. 53-58.

Введение

Общеизвестно, что расчет грунта основания по второй группе предельного состояния заключается в ограничении абсолютных и (или) относительных значений его перемещений, что гарантирует долговечность и надежную эксплуатацию сооружения. Отдельным положением действующих российских норм СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» вводится дополнительное условие: «...прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций (должны быть. - С.А., С.К.) проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием». Данное условие направлено на повышение корректности анализа распределения усилий в фундаментах и надфундаментных кон-

струкциях путем учета влияния основания на них. Аналогичное требование можно найти и в зарубежной нормативной документации, например в европейском своде правил Еигособе 7: «необходимо учитывать неравномерные вертикальные и горизонтальные перемещения фундамента, чтобы они не привели к аварийному предельному состоянию сооружения» [1, с. 50]. Отдельный вид деформации (напряженно-деформированного состояния) сооружения и основания (осадка основания фундамента, относительная разность осадок основания, крен фундамента, относительный прогиб (выгиб), кривизна изгибаемого участка сооружения и др.) вызывается действием сочетания специфических факторов в системе «основание - фундамент - надфундаментные конструкции» (ОФНК). Подобный подход, заключающийся в анализе работы ОФНК как системы, является распространенным и применен, в частности, в [2-4]. При рассмотрении системы «основание - фундамент - надфундаментные конструкции» предположительная оценка влияния отдельного вида деформации основания должна быть ограничена чувствительностью вышерасположенных конструкций к дополнительным возникающим усилиям.

Традиционно вопросы чувствительности конструкций к неравномерным деформациям грунта основания рассматриваются исходя из жесткости определенного сооружения. Соответственно, сооружения классифицируют следующим образом [5, с. 72-73]:

• абсолютно гибкие («беспрепятственно следуют за перемещениями поверхности грунтов основания..., дополнительных усилий при развитии неравномерных осадок в их конструкциях практически не возникает»);

• абсолютно жесткие («выравнивание осадок происходит за счет развития в конструкциях сооружения дополнительных усилий»);

• сооружения конечной жесткости («дополнительные усилия вызывают деформации и образование трещин в элементах конструкций»).

Следует отметить, что предельные значения крена для жестких сооружений и предельные значения относительной разности осадок для некоторых промышленных и гражданских зданий в действующих российских нормах СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» носят рекомендательный характер и применяются в целом для сооружения. Целью настоящей статьи является разработка методики определения величины предельного крена фундамента исходя из условия совместной работы узла сопряжения «фундамент - надфундаментная конструкция».

Материал и методы исследования

В данной работе широко используются методы инженерных расчетов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость, рассматриваемые в рамках метода предельных состояний. Анализ работы грунтов основания осуществляется на основе методов механики грунтов, изложенных в [6-9].

Рассмотрим узел сопряжения железобетонного столбчатого фундамента и сборной железобетонной колонны (рисунок). После определения нагрузок, действующих по обрезу фундамента (№И и М°п ), вычисляются нагрузки, действующие в плоскости подошвы фундамента (Ып

и Мгг).

обрез

фундамента

столбчатый фундамент

колонна

h £ А/

Nti I а

Узел сопряжения железобетонного столбчатого фундамента и сборной

железобетонной колонны Junction of reinforced concrete pier foundation and assembled reinforced concrete column

Приведем формулу для вычисления крена фундамента / («в случае однородного по сжимаемости основания» [10, с. 27]):

i -. к ^ 'Е (и'

где ке - коэффициент, определяемый по [10, с. 28] и зависящий от соотношения сторон подошвы фундамента, формы фундамента и направления действия момента; Nп - вертикальная составляющая равнодействующей всех нагрузок на фундамент в уровне подошвы, кН; е - эксцентриситет приложения нагрузки, м; а - сторона прямоугольного фундамента, в направлении которой действует момент, м; V - коэффициент Пуассона; Е - модуль деформации грунта основания, кПа.

Тогда крен фундамента i в случае действия моментов в двух плоскостях:

. - 1-И М. . - ^ км1_ х - Е ке

где l и b - соответственно длина и ширина подошвы фундамента, м; M* и My - моменты, действующие в соответствующих плоскостях, кНм, вычисляемые с учетом горизонтальной (перерезывающей) силы в уровне обреза фундамента.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим решение задачи о работе узла сопряжения столбчатого фундамента и колонны, закрепленной в его стаканной части путем омоноличивания, при условии возможного крена фундамента на основе следующих принятых допущений:

1. Узел сопряжения колонны и фундамента принимается условно жестким. Фактическая величина крена, поворот фундамента свидетельствуют о некоторой условности жесткой заделки. В результате крен фундамента «приводит к искривлению конструкции (нижней части колонн), сопровождающемуся возникновением дополнительных усилий в этих конструкциях...» [11, с. 130].

2. Исходя из выражения (1), величина крена зависит от действующего по подошве фундамента момента Mи , при определении которого принимаются во внимание действующие по обрезу силовые факторы, вес грунта, вес фундаментных балок и т.д. С учетом вышесказанного вводится допущение, что схема нагружения в данном случае имеет вид прямого чистого изгиба. Тогда (1) с подстановкой выражения наибольшего напряжения [12] будет иметь вид:

1 _v2 а . w 1 _v2 а  W

j -1_k max х  i --_— k max_y

lx

£ (2) £ g) где Wx и Wy - момент сопротивления сечения колонны изгибу относительно оси x и y, м3.

3. Исходя из первого допущения, в результате крена фундамента в указанном узле сопряжения возникают дополнительные усилия. С учетом данных усилий производятся проверки по условию прочности бетонного стыка колонны и фундамента и непосредственно колонны на их восприятие. Вводится допущение в отношении наибольшего влияния изгибающего момента, действующего по подошве фундамента, на напряженное состояние рассматриваемого узла.

Очевидно, что момент Mп будет оказывать в основном сжимающее усилие на бетонную призму - монолитную заливку стакана фундамента при сборном варианте узла. Тогда максимально воспринимаемый момент определяется из условия

M <  W,

где Rbser - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию для вычисления по II группе предельного состояния, кПа; W - момент сопротивления бетонной призмы - монолитной заливки стакана фундамента, м3.

Для прямоугольного сечения железобетонной колонны максимальный момент M может быть определен исходя из известного условия [13, с. 138]. Представленные формулы позволяют вычислить величину предельного крена с учетом максимальных усилий, возникающих в узле сопряжения фундамента и надфундаментных конструкций. Для определения численного значения

предельного крена необходимо выбрать минимально допустимую величину момента и записать относительно нее выражение (2):

1 _у2 м , 1 -V2 М

4 — Ъ ДД • 4 — ^"ши

1х(пр.) - г Ке , Л3 ' 1у(пр.) - г е, х3 .

£ 8) £

Проверяемое условие при расчете по II группе предельного состояния применительно к рассматриваемому узлу:

4х ~ 4х(пр.); 4у ~ 4у(пр.) .

Следует отметить, что указанные выражения для вычисления предельного крена рассматриваемого узла сопряжения могут быть сведены к проверке следующего условия (при отсутствии изменений остальных параметров): М11 < Мшт .

Таким образом, при действии момента в уровне подошвы фундамента, превышающем по значению пороговую величину Мшт, необходимо либо изменить конструктивное решение колонны, либо уменьшить М11, например, путем устройства несимметричного фундамента (изменения геометрических характеристик подошвы фундамента), усиления основания и т.д.

Проверка работы фундамента по II группе предельного состояния, связанная с рассмотренным условием предельного крена, влияет на проектные решения по определению размеров подошвы фундамента. Данную методику следует рассматривать как дополнение к уже существующим нормативным ограничениям. Использование предлагаемой проверки позволяет более корректно произвести совместный расчет узла сопряжения фундамента и надфундаментной конструкции вследствие определения влияния крена фундамента на напряженно-деформированное состояние рассматриваемого узла.

Заключение

Представленная методика расчета может быть использована и для ленточного фундамента с соответствующим обоснованным использованием прочностных характеристик материалов узла сопряжения. Обоснованность рассмотренной методики расчета должна быть проверена посредством экспериментов, которые планируются на дальнейших этапах исследования и в которых будет задействован монолитный вариант стакана фундамента и колонны.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

I.Simpson B. Concise Eurocodes: Geotechnical design. BS EN 1997-1: Eurocode 7, Part 1. London: British Standards Institution, 2011. 150 p.

2.Mroueh H., Shahrour I., Vaillant J. Influence of the structure on the soil-foundations-structure interaction // International Journal of Geotechnical Engineering. 2009. Vol. 3 (1). P. 153-165. DOI: 10.3328/IJGE.2009.03.01.153-165

3.Orense R.P., Chouw N., Pender M.J. Soil-Foundation-Structure Interaction. London: CRC Press/Balkema, 2010. 260 p.

4. Figini R., Paolucci R., Chatzigogos C.T. A macro-element model for non-linear soil-shallow foundation-structure interaction under seismic loads: theoretical development and experimental validation on large scale tests // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2012. Vol. 41 (3). P. 475-493. D0I:10.1002/eqe.1140

5.Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. М.: Изд-во АСВ, 2014. 728 с.

6.Горбунов-Посадов М.И., Ильичев В.А., Крутов В.И. [и др.]. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.

7.Флорин В.А. Основы механики грунтов. М.-Л.: Госстройиздат, 1959. Т.1: Общие зависимости и напряженное состояние оснований сооружений. 360 с.

8.Das B.M. Principles of Geotechnical Engineering. Stamford: Cengage Learning, 2010. 683 p.

9.Venkatramaiah C. Geotechnical engineering. New Delhi: New Age International Publishers, 2006. 947 p.

10.Костерин Э.В. Основания и фундаменты: учебник для автомобильно-дорожных вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1978. 375 с.

II.Далматов Б.И. , Морарескул Н.Н., Иовчук А.Т., Науменко В.Г. Проектирование фундаментов зданий и промышленных сооружений. М.: Высш. школа, 1969. 296 с.

12.Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов. 10-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

13.Мурашев В.И., Сигалов Э.Е., Байков В.Н. Железобетонные конструкции. Общий курс. М.: Госстройиздат, 1962. 662 с.

REFERENCES

1. Simpson B. Concise Eurocodes: Geotechnical design. BS EN 1997-1: Eurocode 7, Part 1. London, British Standards Institution, 2011. 150 p.

2. Mroueh H., Shahrour I., Vaillant J. Influence of the structure on the soilfoundations-structure interaction. International Journal of Geotechnical Engineering, 2009, vol. 3 (1), pp. 153-165. DOI: 10.3328/IJGE.2009.03.01.153-165

3. Orense R.P., Chouw N., Pender M. J. Soil-Foundation-Structure Interaction. London, CRC Press/Balkema, 2010. 260 p.

4. Figini R., Paolucci R., Chatzigogos C.T. A macro-element model for non-linear soil-shallow foundation-structure interaction under seismic loads: theoretical development and experimental validation on large scale tests. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2012, vol. 41 (3), pp. 475-493. DOI: 10.1002/eqe.1140

5. Il'ichev V.A., Mangushev R.A. Spravochnik geotekhnika. Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya [Geotechnic quide. Grounds, foundations and underground constructions]. Moscow, ASV Publ., 2014. 728 p.

6. Sorochan E.A., Trofimenkov Yu.G. Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya [Grounds, foundations and underground constructions]. Moscow, Strojizdat Publ., 1985. 480 p.

7. Florin V.A. Osnovy mekhaniki gruntov [Basic mechanics of soil]. Moscow-Leningrad, Gosstrojizdat Publ., 1959. 360 p.

8. Das B.M. Principles of Geotechnical Engineering. Stamford, Cengage Learning, 2010.

683 p.

9. Venkatramaiah C. Geotechnical engineering. New Delhi, New Age International Publishers, 2006. 947 p.

10. Kosterin E.V. Osnovaniya i fundamenty: uchebnik dlya avtomobil'no-dorozhnykh vuzov [Grounds and foundations: student book for automobile and road universities]. Moscow, Vyssh. shkola Publ., 1978. 375 p.

11. Dalmatov B.I., Morareskul N.N., Iovchuk A.T., Naumenko V.G. Proektirovanie fundamentov zdanii i promyshlennykh sooruzhenii [Design of building foundations and industrial constructions]. Moscow, Vyssh. shkola Publ., 1969. 296 p.

12. Feodos'ev V.I. Soprotivlenie materialov: ucheb. dlya vuzov [Mechanics of materials: student book for universities]. Moscow, Bauman Moscow state technical university Publ., 1999. 592 p.

13. Murashev V.I., Sigalov E.E., Baikov V.N. Zhelezobetonnye konstruktsii. Obshchii kurs [Reinforced framing constructions. General course]. Moscow, Gosstrojizdat Publ., 1962. 662 p.

Информация об авторах

Алексеев Сергей Игоревич, доктор технических наук, профессор кафедры оснований и фундаментов, e-mail: asi-spb12@yandex.ru; Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9.

Кондратьев Станислав Олегович, аспирант кафедры оснований и фундаментов, e-mail: kondratev.s@yandex.ru; Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9.

Критерии авторства

Алексеев С.И., Кондратьев С.О. имеют равные авторские права. Кондратьев С.О. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors

Sergey I. Alekseev, doctor of technical sciences, professor, Department of foundation engineering, e-mail: asi-spb12@yandex.ru; Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, 9 Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation.

Stanislav O. Kondratev, postgraduate student, Department of foundation engineering, e-mail: kondratev.s@yandex.ru; Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, 9 Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation.

Contribution

Alekseev S.I., Kondratev S.O. have equal author's rights. Kondratev S.O. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

Статья поступила 27.11.2016 г. The article was received 27 November 2016