Гибкие фундаменты. Основные положения: теории балок и плит на упругом основании, расчет и проектирование гибких фундаментов

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
МЕЖДУНАРОДНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ
Гибкие фундаменты. Основные
положения: теории балок и плит на
упругом основании, расчет и
проектирование гибких фундаментов.
Ассоциированный профессора ФОС Джумадилова С.Ж.

2.

Введение
В современном строительстве вопросы обеспечения надёжности и устойчивости зданий и
сооружений приобретают особое значение. Одним из ключевых факторов, влияющих на
долговечность и безопасность строительного объекта, является правильный выбор и проектирование
фундамента — конструктивного элемента, передающего нагрузки от здания на основание. С
развитием инженерной науки и технологий традиционные подходы к расчету и проектированию
фундаментов дополняются новыми, более точными методами, учитывающими деформационные
свойства грунта и гибкость конструкций. В этом контексте особое внимание уделяется гибким
фундаментам.
Гибкие фундаменты, в отличие от жестких, обладают способностью перераспределять нагрузки за
счет своей деформируемости и взаимодействия с упругим основанием. Это особенно важно при
строительстве протяжённых сооружений (таких как трубопроводы, подпорные стены, фундаменты
под оборудование) и при значительной неоднородности грунта по площади фундамента.
2

3.

Теории изгиба балок и плит на упругом основании и условия их
применимости к расчету гибких фундаментов
Для гибких фундаментов, которые в основном воспринимают изгибающие моменты, образующиеся в
результате совместной работы с основанием, предположение о линейном распределении реактивных
давлений оказывается неприемлемым, потому что оно зависит от жесткости фундамента и податливости
грунтового основания.
Замена реальной эпюры контактных давлений линейно распределенной приводит к существенным
погрешностям при определении изгибающих моментов и поперечных сил.
К гибким фундаментам можно отнести ленточные и отдельные железобетонные фундаменты, а также
сплошные железобетонные плиты и некоторые типы коробчатых фундаментов.
В зависимости от вида используемого фундамента различают плоскую задачу, когда условия работы
поперечного сечения фундамента одинаковы по длине. Например, ленточный фундамент под стену в
поперечном сечении имеет одинаковую форму деформации по всей длине.
3

4.

В условиях пространственной задачи будут находиться ленточный фундамент под колонны,
принимаемый в поперечном направлении жестким, и фундаментные плиты различной формы,
работающие на изгиб в двух направлениях.
В настоящее время большое распространение при проектировании гибких фундаментов
получили теории расчета балок и плит на упругом основании, которые справедливы для линейно
деформируемых оснований, причем наибольшее применение получили следующие методы:
1) местных деформаций с постоянным и переменными коэффициентами постели;
2) упругого полупространства;
3) упругого слоя ограниченной толщины на несжимаемом основании;
4) упругого слоя с переменным модулем деформации основания по глубине.
Эти теории исходят из предположения о совместности деформации, фундамента и грунта, т. е.
считается, что перемещение фундамента в данной точке контакта равно осадке поверхности
грунта.
4

5.

В методе местных упругих деформаций не учитываются осадки грунта основания за пределами
площади загружения, что дает возможность представить такое основание в виде системы несвязанных
между собой упругих пружин (рис. 7.1, а). Такие условия работы грунтового основания не
подтверждаются экспериментальными данными, которые показывают, что в реальных условиях
нагружения оседают не только нагруженная поверхность, но и соседние участки грунта (рис. 7.1, б). Это
ограничивает область применения данного метода на практике.
Рис. 7.1. Схемы упругого основания
5

6.

Расчетные методы
Аналитические методы основаны на строгих решениях дифференциальных уравнений, описывающих
поведение балки или плиты на упругом основании.
Примеры аналитических решений: Балка на упругом основании с равномерной нагрузкой; Консольная
балка с сосредоточенной нагрузкой на конце; Прямоугольная плита, опёртая по краям, с равномерным
распределением давления.
Метод конечных элементов (МКЭ) — универсальный и мощный численный метод, широко применяемый
в инженерной практике. Он позволяет решать задачи любой сложности, включая: Сложные формы
фундаментов; Переменные нагрузки; Гетерогенные материалы; Многофазные грунты и различные условия
контакта между фундаментом и грунтом.
Метод послойной модели грунта
Этот метод позволяет более точно учитывать неоднородность основания. Основание представляется как
совокупность горизонтальных слоёв, каждый из которых обладает своими физико-механическими
характеристиками: модуль деформации E, коэффициент Пуассона νi толщина hi​.
Каждый слой рассматривается как часть упругой среды, взаимодействующей с фундаментом.
6

7.

Проектирование гибких фундаментов
Учет сдвигающих напряжений, вовлекающих в работу ненагруженные зоны
грунта рядом с нагруженными, с помощью второго коэффициента постели
позволил значительно усовершенствовать метод местных упругих деформаций.
Главное отличие данной модели заключается в том, что основание с двумя
коэффициентами постели имеет осадки и за пределами лежащей на нем
балки.Согласно теории местных упругих деформаций при равномерной
нагрузке на балку реакция основания будет одинаковой по всей площади
контакта с грунтом, что не подтверждается экспериментальными данными.
Аналогичный результат будет получен и при расчете по данному методу
жестких фундаментных конструкций.
Еще раз заметим, что метод местных упругих деформаций допускается
применять при проектировании гибких фундаментов при наличии в основании
слабых грунтов или слоя сжимаемого грунта небольшой мощности.
7

8.

Преимущества и ограничения
Преимущества
Более точный расчет распределения нагрузок
Гибкие фундаменты обеспечивают более реалистичную
картину перераспределения нагрузок по основанию,
особенно
при
неравномерной
нагрузке
или
неоднородности грунтов.
Учет совместной работы основания и конструкции
В расчетах учитываются деформационные свойства
грунта, что особенно важно при проектировании
сооружений на слабых или неоднородных грунтах.
Экономия материалов и снижение стоимости
За счёт перераспределения усилий гибкие фундаменты
позволяют использовать конструкции меньшей массы и
меньшей толщины, без потери несущей способности.
Ограничения
Сложность расчетов
Теория гибких фундаментов требует углублённых знаний
в области строительной механики, теории упругости и
численных
методов.
Без
применения
специализированных программ (SCAD, LIRA, Plaxis и
др.) точный расчет вручную затруднителен и подвержен
ошибкам.
Высокая чувствительность к параметрам грунта.
Результаты расчетов сильно зависят от точности
определения коэффициента постели, модуля деформации
и других характеристик грунта. Малейшие ошибки в
определении свойств основания могут привести к
недопустимым ошибкам в расчетах осадки и напряжений.
8

9.

Строятся фундаменты глубокого заложения на так называемых опускных колодцах. Колодцы
представляют собой заложенные глубоко в грунте бетонные, железобетонные, металлические,
деревянные, каменные и кирпичные столбы, способные своей массой воспринять нагрузку от
сооружения.
Работы по устройству опускных колодцев заключаются в том, что в грунт сначала погружают
оболочку будущего столба, из окружающего пространства которой одновременно с погружением
удаляют верхний слой. Погружение осуществляется до проектной величины, т. е. до тех пор, пока
оболочка не достигнет твердого грунта.
Опускные колодцы из дерева, камня и кирпича применяют крайне редко. В настоящее время стали
широко применяться колодцы-оболочки из сборных железобетонных элементов индустриального
изготовления диаметром от 1,2 до 6 м. Оболочки диаметром 1,2 м погружают открытым концом
без удаления грунта из полости, т. е. так же, как погружают сваи-оболочки. Погружение колодцевоболочек диаметром до 6 м производится преимущественно вибропогружателем с периодическим
удалением грунта из его полости. Вынимают грунт из полости через каждые 3—5 м погружения
грейфером, гидроэлеватором или эрлифтом. По достижении проектной отметки приступают к
заполнению внутренней
9

10.

Заключение
Гибкие фундаменты представляют собой важную и современную область в строительной
инженерии, позволяя учитывать взаимодействие конструкции с основанием и обеспечивая
более точное и рациональное распределение нагрузок. В отличие от жёстких фундаментов,
они способны эффективно адаптироваться к условиям неоднородных и слабых грунтов,
снижая риск возникновения неравномерных осадок и локальных разрушений.
Теоретическая база, основанная на моделях балки и плиты на упругом основании, позволяет
получить качественное представление о работе таких систем, а с применением численных
методов — провести точный и достоверный расчет. Особенно важную роль в современном
проектировании играют методы конечных элементов и послойного моделирования грунта,
которые позволяют решать задачи повышенной сложности и учитывать реальные
инженерно-геологические условия.
10