Вариантное проектирование фундаментной плиты в сложных геологических условиях

При проектировании фундаментов важным вопросом является определение деформации грунтов при действии на них внешней нагрузки. При этом различают упругие и остаточные деформации, основными определяемыми из которых являются крен и осадка. Как правило, неравномерная осадка является наиболее опасной для сооружения, чем равномерная. Нормами вводятся ограничения на предельное значение деформаций для различных зданий и сооружений с учетом их конструктивных особенностей. Поэтому появилась необходимость в разработке методов проектирования фундаментов, предусматривающих возникновение осадки зданий и сооружений в пределах допустимых нормами значений. [1]

Среди методов расчета упругих деформаций грунтов наиболее распространенными являются модели местных упругих деформаций (модель Винклера) и упругого полупространства (модель Пастернака). Так же выделяется модель объемных конечных элементов при расчете в программных комплексах.

Модель Винклера подразумевает прямо пропорциональную зависимость между давлением, возникающим в каждой точке поверхности подошвы фундамента, и осадкой этого фундамента. [2] Данная зависимость пропорциональна через коэффициент постели. Модель грунта по Винклеру представляет собой основание в виде условных пружин, которые учитывают деформации только в пределах фундамента, а характеристики грунта выражаются одним коэффициентом постели (жесткость основания на сжатие).

Рисунок. 1. Характер деформации грунта по модели местных упругих деформаций

Модель Пастернака рассматривает основание как упругое полупространство и учитывает распределительную способность грунта, т.е. учитывает деформации основания и сооружения в пределах и за пределами фундамента. [2] Характеристики грунта выражаются двумя коэффициентами постели (жесткость основания на сжатие и сдвиг).

Рисунок. 2. Характер деформации грунта по модели упругого полупространства

Модель объемных конечных элементов является программной моделью расчета. Объемные элементы (или 3D-элементы) представляют собой трехмерные элементы-многогранники, связанные в узлах. Принцип конечных элементов предполагает, что перемещение узлов определяет перемещение конечных элементов в пределах заданной сжимаемой толщи. [3]

Рисунок  3. Объемный конечный элемент

Вариантный расчет по вышеназванным моделям упругого основания произведен для фундаментной плиты церкви. Здание несимметричное, соответственно нагрузки на плиту распределены по-разному, поэтому проектируется плита сложной формы. В таких случаях важно выбрать правильную конфигурацию плиты, чтобы избежать образования крена, т.е. уравновешивать плиту.

Расчет фундаментной плиты производится в программе Stark ES. [4] В POS-проекте задаются размеры и форма плиты, ее опоры и материалы, прикладываются нагрузки на плиту. Нагрузки от стен линейные, равномерно распределенные, нагрузка от столба равномерно распределенная по площади поперечного сечения столба. На рисунке 4 приведена схема приложения нагрузок.

Рисунок. 4. Нагрузки на фундаментную плиту

Также в программу Stark ES вводятся данные по грунтовому основанию: вид и характеристики слоев грунта по результатам инженерно-геологических изысканий. Проектируемая территория застройки сложена слабыми обводненными грунтами. Ввиду этого под фундаментной плитой предусмотрено устройство двухслойной щебеночной подготовки и бетонной стяжки, служащей гидроизоляционным слоем.

В FEA-проекте выполняются статический расчет, подбор характеристик упругого основания по моделям грунта и расчет армирования фундаментной плиты. Результатом статического расчета являются перемещения плиты. Характеристики грунтового основания подбираются итерационным методом расчета. Расчет армирования плиты выполняется по СП 63.13330.2012.

Результат итерационного расчета коэффициента постели упругого основания по модели Винклера:

Результат итерационного расчета коэффициента постели упругого основания по модели Пастернака:

По результатам расчета деформаций и армирования фундаментной плиты на различных упругих основаниях составляются сводные таблицы.

Таблица 1.

Результаты расчета осадки фундамента

Таблица 2.

Результаты расчета армирования фундаментной плиты

По результатам расчета интенсивность армирования фундаментной плиты по трем моделям разная. Наименьшая интенсивность армирования нижней сетки по оси S по модели Винклера составляет 29,56 см²/м, а наибольшая интенсивность армирования нижней сетки по оси S у объемных конечных элементов 46,02 см²/м. При выборе армирования плиты для проекта необходимо ориентироваться на уровень ответственности здания и срок его службы. Поскольку данный расчет произведен для культового сооружения, интенсивность армирования выбирается по максимальному значению, т.е. по объемным конечным элементам.