Construction and Geotechnics

Движущийся транспорт является одним из основных источников техногенного вибрационного воздействия на близлежащие здания и сооружения. Исследования такого влияния на основания и фундаменты зданий и сооружений проводятся уже достаточно давно. Однако при попытках учесть воздействие автотранспорта при различных расчетах возникает проблема: в России на данный момент отсутствует нормирование вибрационного воздействия транспорта. В связи с этим изучение его влияния на основания и фундаменты зданий и сооружений является актуальным. При проведении исследований ставилась цель построить адекватную численную модель динамического воздействия одиночного транспортного средства (ТС) на существующее здание на основе данных, полученных оперативными методами многоканального анализа поверхностных волн. Для проверки адекватности построенной модели результаты численного моделирования сравнивались с данными натурных исследований. В целом результаты оказались достаточно близки к натурным значениям: для грузового ТС расхождения составили не более 14 % для максимальной вертикальной компоненты виброускорения и не более 5 % для максимальной горизонтальной. Для получения более точных результатов требуются дополнительные исследования для уточнения расчета размеров пятна контакта колеса. Разработанная модель адекватна для проезда одиночного ТС большой массы. Данные, полученные оперативными методами многоканального анализа поверхностных волн, можно эффективно использовать при численном моделировании динамического воздействия на здания от транспортных средств.

В основаниях фундаментов зданий в исторической части Санкт-Петербурга, как и в большом числе городов северо-запада нашей страны, залегают слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты, а также имеются включения торфов с разной степенью разложения. При развитии такого мегаполиса, как Санкт-Петербур-га, имеется насущная потребность в управляемом преобразовании свойств слабых грунтов оснований и придании им необходимых свойств: увеличении прочности и модуля деформации, снижений водопроницаемости. Закрепление грунтов по струйной цементации - это технологический процесс, который для создания геомассива с необходимыми свойствами включает в себя целый комплекс специальных работ. В них входят следующие основные операции: лидерное бурение скважин с промывкой выбуренного грунта водой или раствором, перемешивание исходных грунтов площадки, как правило, цементными растворами с химическими добавками, затем армирование скважины. Струйная технология применяется в Санкт-Петербурге с середины 90-х гг. XX в. (сначала однокомпонентная, а затем двухкомпонетная). При однокомпонентной технологии стабилизации грунтов используется струя цементного раствора, а при двухкомпонетной струя раствора в грунте подается под защитой коаксиальной струи воздуха. Очевидно, что с использованием этой технологии закрепления грунтов расширился диапазон применения цементации грунтов различного гранулометрического состава до глин и биогенных грунтов. В связи с оптимизацией стоимости работ нулевого цикла, практикой импортозамещения материалов и технологий применение струйной технология в настоящее время становится еще более актуальным в подземном строительстве.

На сегодняшний день в отечественной практике инженерных изысканий используются преимущественно традиционные методы исследования, включающие полевые испытания грунтов с отбором образцов и их последующим изучением в лабораторных условиях. Проведение таких инженерно-геологических изысканий традиционными методами - весьма трудоемкий и продолжительный процесс, требующий значительных материальных затрат. В связи с этим возникает необходимость применения экспресс-методов. Одним из наиболее распространенных среди них является метод статического зондирования. В отечественной практике статическое зондирование чаще всего используется лишь как дублирующий метод в силу сложности и точности данных, получаемых при интерпретации результатов, что связано с устаревшим оборудованием, которое применяют изыскательские организации. Таким образом, на практике зондирование чаще всего применяется для уточнения напластования грунтов, определения несущей способности свай, а также для определения прочностных характеристик грунтов. В настоящее время в зарубежной практике нашли широкое применение электрические зонды с датчиками порового давления. Данные зонды позволяют с гораздо большей точностью определять тип грунта, а при проведении диссипационных тестов на рассеивание поровой воды - оценивать фильтрационные параметры грунта. В данной статье рассмотрено применение метода статического зондирования с измерением порового давления для нахождения коэффициента фильтрации глинистого грунта. Приведены результаты лотковых и натурных исследований по погружению зонда в слабый глинистый грунт. На основании экспериментальных данных предложена численная модель погружения зонда и представлена последовательность ее калибровки с целью нахождения коэффициента фильтрации грунта.

В настоящее время существует необходимость в развитии методик расчета усиления плитных фундаментов сваями. Потребность в усилении возникает при надстройке дополнительных этажей строящегося здания или реконструкции существующего. Использование грунтоцементных свай имеет определенные преимущества. Кроме сжатых и стабильно прогнозируемых сроков выполнения работ, усиление сваями может выполняться в ограниченных подвальных помещениях за счет компактного оборудования. В нормативных документах отсутствуют рекомендации по таким расчетам. При расчете усиления плитного фундамента грунтоцементными сваями определяется нагрузка на стадии эксплуатации, которая сопоставляется с допускаемой нагрузкой на сваю (по грунту и по материалу). Моделирование подобных стадийных процессов современными программными средствами возможно, однако довольно трудоемко. Применяемые на практике методы усиления фундаментов сваями не учитывают многие важные факторы: в каком напряженно-деформированном состоянии находятся основание и конструкции сооружения, в какой момент строительства выполняется усиление и пр. Важную роль играют особенности сооружения и основания: толщина фундаментной плиты, этажность, физико-механические свойства грунтов. Существенное влияние оказывают также параметры грунтоцементных свай: шаг, длина, диаметр. Усиление плитного фундамента грунтоцементными сваями может выполняться по двум схемам: с равномерной расстановкой свай по площади плиты и с локальной расстановкой вокруг несущих конструкций (стен и колонн). В данной статье представлены результаты численных исследований взаимодействия плитного фундамента с грунтоцементными сваями усиления. Принята локальная расстановка свай усиления вблизи основных несущих конструкций - колонн и стен. Получены определенные закономерности изменения нагрузки на сваю в зависимости от толщины фундаментной плиты, диаметра свай, длины свай, а также момента выполнения усиления. На основе полученных результатов предложена методика проектирования усиления плитного фундамента сваями. При этом учитываются нагрузки, воспринятые основанием плиты до выполнения усиления. Предложенная методика использована при проектировании усиления плитного фундамента 13-этажного жилого дома, для которого планировалась надстройка трех дополнительных этажей.

Приведены результаты исследования взаимного влияния работы двух энергоэффективных свай в качестве грунтовых теплообменников. Энергоэффективные сваи, в отличие от других видов энергоэффективных фундаментов, работают как отдельные теплообменники в составе единого фундамента, оказывая влияние друг на друга. Данный факт необходимо учитывать при расчете работы свай в составе энергоэффективного свайного фундамента. При проведении исследования оценивались величина снижения плотности теплового потока через поверхность, константа свай с грунтом при их работе в качестве грунтовых теплообменников. Исследование проводилось путем серии численных расчетов. Основными факторами, варьируемыми при их выполнении, принимались диаметр свай и расстояние между ними. Численные расчеты выполнялись в модуле TEMP программного комплекса GeoStudio. Для их проведения была создана численная модель, были определены ее геометрические размеры, начальные и граничные условия, минимально необходимая продолжительной численного моделирования. Начальные и граничные условия моделирования были приняты для климатических условий и температурного режима грунтов г. Перми. Исследования проводились при работе энергоэффективных свай в глинистом грунте. Результаты численного моделирования обрабатывались методами математической статистики. В результате были получены зависимость теплового потока через поверхность, константа свай с грунтом при их работе в качестве грунтовых теплообменников от диаметра свай и расстояние между ними. Графически зависимость представлена в виде номограммы. Анализ полученной зависимости позволил сделать следующие выводы: величина падения плотности теплового потока уменьшается при увеличении расстояния между сваями; величина падения плотности теплового потока увеличивается: при малых расстояниях между сваями - с уменьшением диаметра свай, при больших - с его увеличением.

Приведен анализ влияния деформационной анизотропии на напряженно-деформируемое состояние грунтового основания на основе численного эксперимента с использованием программного пакета ANSYS. Деформационные свойства грунта определялись модулем деформации Е и коэффициентом Пуассона μ. Степень анизотропии задавалась исходя из определенного соотношения модулей деформации в вертикальном Ez и горизонтальном Ex направлениях ka = Ez / Ex . В результате численного эксперимента были проанализированы трансверсально-изотропные грунтовые основания с коэффициентами деформационной анизотропии ka = 0,50; 0,75; 1,33; 2,0 и получены дополнительные коэффициенты α ' , которые используются при определении вертикальных напряжений от дополнительной нагрузки. На основе полученных результатов предложена методика расчета дополнительных напряжений анизотропного грунтового основания фундаментов существующей застройки от возводимых зданий и сооружений. В основу расчета положено решение задачи Лява с применением схемы линейно-деформируемого полупространства. Учет анизотропных свойств осуществлялся путем введения дополнительного коэффициента α ' , который зависит от степени анизотропии грунтового основания kа и геометрических размеров фундамента. Полученные результаты исследований показывают, что учет анизотропных свойств грунтов оказывает значительное влияние на напряженно-деформируемое состояние грунтового основания и позволяет наиболее обоснованно подходить к прогнозированию осадок фундаментов. Особенно важное значение учет деформационной анизотропии имеет при проектировании усиления грунтовых оснований с созданием наведенной анизотропии, в том числе при возведении рядом с существующим новых сооружений, или дополнительной загрузке прилегающих к фундаменту площадей.

Осмотическая, гидравлическая и самовосстанавливающаяся эффективность барьеров на основе бентонита (например, геосинтетические глинистые вкладыши) для локализации загрязненных растворов регулируется как химико-физическими характеристиками, свойственными бентониту, такими как, например, плотность твердого тела (ρ sk ), общая удельная поверхностью ( S ) и общий фиксированный отрицательный электрический поверхностный заряд (σ), так и параметрами химико-механического состояния, способными количественно определять плотность скелета и структуру, т.е. общий ( e ) и nano ( en ) коэффициенты пористости, среднее количество пластин на агрегат (тактоид) ( Nl, AV ), эффективную концентрацию электрического фиксированного заряда и фракцию Штерна ( fStern ). В свою очередь, при рассмотрении только насыщенных активных глин параметры состояния, по-видимому, контролируются историей эффективных напряжений ( SH ), ионной валентностью ( νi ) и взаимосвязанной последовательностью воздействия концентрации солей в поровом растворе ( cs ). Создана теоретическая основа, дающая возможность описывать химическое, гидравлическое и механическое поведение бентонитов в случае одномерных полей деформаций и течения. В частности, представлены отношения, связывающие вышеупомянутое состояние и свойственные рассматриваемому бентониту параметры с его гидравлической проводимостью ( k ), эффективный коэффициент диффузии осмотический коэффициент (w) и давление набухания ( usw ) при различных последовательностях историй нагружения и концентраций растворенного вещества. Предлагаемая теоретическая гидро-химико-механическая структура была подтверждена путем сопоставления ее прогнозов с некоторыми из имеющихся экспериментальных результатов по бентонитам (т.е. испытания на гидравлическую проводимость, испытаниями на набухание и тестами на осмотическую эффективность).