ВСПЛЫТИЕ

• Когда паркинги начинают плавать
• Аналитическая методика проверки
• Конечно-элементный анализ
• Выводы и практические рекомендации
Проблему всплытия я начал изучать недавно в связи с необходимостью разработать методику проверки в SOFiSTiK. Изначально вопрос казался простым и не особо интересным, однако по ходу исследования эта тема заиграла новыми красками и неожиданными выводами. Получился хороший материал для статьи, которым я с радостью с вами делюсь. Приятного чтения :)
КОГДА ПАРКИНГИ НАЧИНАЮТ ПЛАВАТЬ
Подземный объём больших и не очень зданий может находиться ниже уровня грунтовых вод (далее — УГВ). В такой ситуации начинает действовать сила Архимеда, стремящаяся вытолкнуть конструкцию наверх. Определить эту силу, как мы знаем, совсем несложно. Она равна объему части здания, находящегося ниже УГВ, умноженного на плотность воды. Или по другому — весу вытесненной зданием воды.
Тут можно привести напрашивающуюся аналогию с кораблём. Отличие заключается в том, что последний будет тонуть, если сила Архимеда меньше его собственного веса, а здание — не будет, т.к. под ним есть грунт, на который передаётся остаточная гравитационная сила.
В обычной ситуации вес объекта оказывается значительно больше выталкивающих сил и всплытия не происходит. Опасность возникает тогда, когда баланс сил может измениться. Типичный пример — подземный паркинг. Он относительно легкий, полностью находится под землей. Несложно представить, что ниже УГВ может оказаться до 90% его объёма.
Если сила Архимеда станет больше собственного веса, здание всплывёт. То есть поднимется до такого уровня, при котором обе силы скомпенсируют друг друга. Дом превратиться в плавающий в подземных водах морской лайнер. Исправить такую ситуацию, если она произошла, может быть очень затратно. Придется либо догружать здание каким-то балластом, увеличивая его вес, либо затапливать нижний этаж и тем самым уменьшать силу Архимеда.
Цель проектировщика — предотвратить возможность такой аварийной ситуации. Это приводит к необходимости выполнения проверки, которая может быть выполнена двумя способами: аналитически и с помощью конечно-элементного анализа. Границы применимости этих способов мы рассмотрим ниже.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ
Аналитическая методика проверки на всплытие приведена в п. 9.31 СП22.13330.2016. Она очень проста — нужно проверить, что сумма удерживающих сил будет больше суммы выталкивающих сил.
К удерживающим силам относятся:
  • сумма нормативных значений постоянных вертикальных удерживающих нагрузок, включая собственный вес несущих конструкций сооружения, взятых с к-том надежности по нагрузке γ=0.9
  • сумма нормативных значений временных длительных удерживающих вертикальных нагрузок, включая вес полов и перегородок сооружения, грунта обратной засыпки над обрезами фундаментов и подземной частью сооружения, взятых с к-том надежности по нагрузке γ=0.85
  • сумма нормативных значений удерживающих вертикальных составляющих сил сопротивления всплытию в основании, включая силы трения, сопротивления свай выдергиванию, натяжения анкеров и др., взятых с к-том надежности по нагрузке γ=0.65
Здесь 3-я составляющая учитывается тогда, когда проектом предусмотрены специальные конструктивные мероприятия (сваи, анкера), удерживающие здание от всплытия. При первой проверке это слагаемое опускается.
Все учитываемые нагрузки берутся с к-том надежности γ<1, т.к. именно отклонение значений в меньшую сторону вызывает наиболее опасную расчётную ситуацию.
В сумму нормативных значений временных длительных удерживающих нагрузок на практике часто не включают пониженные значения кратковременных нагрузок (полезные нагрузки, снег), хотя, формально, они должны быть учтены. Причина в том, что проверка должна выполнятся и для этапа строительства, когда отсутствие этих нагрузок вполне вероятно.
С удерживающими силами разобрались. Теперь их сумму нужно сравнить с выталкивающими. Выталкивающая сила вычисляется исходя из объёма части здания, расположенной ниже УГВ.
Вроде бы все просто и понятно. Но это было бы поспешным выводом. На самом деле такой подход является слишком упрощенным и не гарантирует безопасного решения, что будет продемонстрировано в следующей части.
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ
В ходе моделирования в SOFiSTiK я пришел к выводу, что аналитическая проверка из п. 9.31 СП22.13330.2016 является необходимым, но не достаточным условием того, что всплытие не будет являться проблемой.
Давайте начнем с рассмотрения простой схемы, которая подведет нас к пониманию идеи. Возьмем квадратную пластину (фундамент), загруженную сверху двумя нагрузками разной интенсивности (30 кПа и 10 кПа). Эти нагрузки упрощенно моделируют собственный вес сооружения, который может быть неравномерно распределен по площади. Простой пример — здание различной этажности. Снизу на плиту будет действовать давление воды, причем эта сила может также иметь неодинаковую интенсивность из-за переменного УГВ (от 20 кПа до 15 кПа).
Под плитой в расчетной схеме зададим грунтовое основание, которое будет сопротивляться вертикальным перемещениям системы вниз.
Мы получили упрощенную модель здания и системы сил, которые на него действуют в расчетной ситуации.
Исходя из такой картины распределения сил можно интуитивно предугадать, что левая часть плиты будет придавлена к грунту гравитационными нагрузками, в то время как в правой части интенсивность выталкивающих сил оказывается больше. В какой-то точке наша плита должна начать отрываться от грунтового основания и прогибаться наверх, как защемленная консоль. Моделирование в SOFiSTiK подтверждает это предположение.
Картина деформации плиты выглядит следующим образом:
В левой картинке снизу показано распределение напряжений под плитой. В пределах цветной области грунт работает на сжатие и является опорой для плиты. Белый участок — область, где плита отрывается от грунта. Сами цифры показывают напряжения в МПа.
На правой картинке снизу показаны вертикальные перемещения (знак «-» означает соответствует перемещению вниз) . Заметно, что они отрицательны в придавленной к грунту части плиты и положительны в поднимающейся части.
С точки зрения аналитической проверки в нашей схеме всплытия быть не должно, т.к. сумма удерживающих сил будет больше суммы выталкивающих сил (в среднем по 20кПа вниз против 17.5 кПа вверх).
Конечно-элементный анализ нам наглядно показывает, что оно может происходить локально на слабо нагруженных участках, где соотношение собственного веса и давления воды сильно отличается от средних значений.
Чтобы добиться такого результата в расчетном комплексе, нужно учесть один важный момент. Грунт должен работать только на сжатие и не должен работать на растяжение на тех участках, которые будут отрываться из-за давления воды. Самая обычная линейная модель грунта не подойдёт, т.к. она работает одинаково в 2-х направлениях, препятствуя как подъему, так и осадке здания. Учитывайте это, если захотите повторить эксперимент.
Теперь рассмотрим пример, как эффект локального всплытия может проявляться в реальной расчетной схеме. Под локальным всплытием далее я имею в виду ситуацию, продемонстрированную выше. Такой термин я сам придумал, мне кажется, он хорошо описывает ситуацию.
На рисунке ниже показана модель секции паркинга, взятая из рабочего проекта. Особенность этого паркинга в том, что в уровне покрытия прорезаны большие проемы, в пределах которых этаж ниже становился улицей.
Участки паркинга, где присутствуют эти проемы, могут весить приблизительно в 2 раза меньше, чем все остальное, ведь на покрытии располагается тяжелый слой благоустройства толщиной до 1.5 м.
В такой ситуации возможны 3 варианта развития событий, в зависимости от УГВ:
  1. Паркинг будет всплывать полностью (всплытие в общем понимании)
  2. Паркинг будет всплывать только в пределах недогруженных участков (локальное всплытие)
  3. Всплытия не будет
Проверить, происходит ли полное всплытие, легко с помощью простой аналитической методики СП22.13330.2016. Но если полное всплытие не происходит, мы все еще не застрахованы от ситуации, когда оно происходит только локально.
На рисунках ниже показана схема деформирования при локальном всплытии, полученная по результатам линейного расчета на грунтовом основании с учетом давления воды и с отключенным сопротивление грунта растяжению. Выглядит это как локальное выпучивание наверх слабо загруженных участков.
На рисунке ниже показаны изополя напряжений в грунтовом массиве под подошвой фундамента. Наглядно видны всплывающие участки (белая зона нулевых напряжений).
Далее посмотрим на вертикальные перемещения фундаментной плиты. Деформации в области всплытия очень существенны:
На показанном участке веса конструкций оказалось недостаточно, чтобы скомпенсировать давление подземных вод. Локальная область стала подниматься, при этом у конструктивной схемы нет эффективного способа сопротивляться этим перемещениям. Все, что им препятствует — это изгибная жесткости фундамента и перекрытий. Чтобы наглядно представить себе последствие такого нагружения, мысленно переверните расчетную схему вверх-ногами. Окажется, что всплывающий участок — это огромная консоль, нагруженные сверху и не имеющая опоры под собой.
В общем случае стоит смотреть на значения усилий и перемещений во всплывающих частях. Они могут быть очень значительны. К тому-же эти величины могут меняться при меняющемся во времени УГВ. Учитывая непредсказуемость изменения геологических условий, все неточности при их определении и огромные величины возникающих нагрузок я считаю наиболее целесообразным исключать вероятность локального всплытия в принципе.
При этом довольно очевидно, что как общего так и локального всплытия не будет происходить, если в каждой рассматриваемой области сооружения его вес будет превосходить давление воды.
ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Инженер-конструктор должен убедиться, что проекту не грозит как общее, так и локальное всплытие. Это достигается выполнением 2-х возможных проверок — аналитической и конечно-элементной.
Принципиальное отличие 2-х подходов заключается в том, что в аналитической проверке на общее всплытие здания по СП22.13330.2016 оно упрощенно считается недеформируемым абсолютно жестким телом, которое либо всплывает, либо нет. Конечно-элементный расчет рассматривает систему как деформируемую и дает более точный прогноз по фактическому отклику на действующую выталкивающую силу, включая локальный отклик.
Задача инженера — выполнить простую аналитическую проверку, если есть к ней предпосылки:
  • большое заглубление подземной части
  • высокий УГВ
  • маленький собственный вес
После общей проверки следует выполнить конечно-элементный анализ в тех случаях, когда возможно локальное всплытие. Предпосылки к этому следующие:
  • неравномерность распределения веса здания по его площади
  • сильно переменный УГВ
Наиболее опасна ситуация, когда максимальный УГВ встречается с минимально загруженной частью здания. Для выполнения расчета нужно приложить давление воды в виде внешней нагрузки и выполнить расчет на грунтовом основании, отключив работу грунта на растяжение. По распределению напряжений под подошвой фундамента и по его деформациям будет видно, где происходит локальное всплытие.
Если всплытие происходит, необходимо применить следующие мероприятия:
  • увеличение собственного веса сооружения или его пригрузка
  • устройства дренажа для понижения УГВ
  • закрепление сооружения в нижележащих слоях грунта с помощью анкеров или свай, работающих на растяжение
Ну что ж, вот и все! Надеюсь, вам было полезно и интересно :) Будут рад обратной связи, вашим вопросам. Все это вы можете оставить в моем Telegram-канале — в комментариях под постом этой статьи.