Что такое деформация оснований фундаментов: все, что нужно знать

Деформация оснований фундаментов — это изменение геометрической формы и размеров грунтовых оснований, на которых установлены фундаменты зданий и сооружений. Эти деформации могут быть вызваны различными факторами, такими как нагрузка от строения, изменение уровня groundwater, усадка или расширение грунта, а также воздействия внешней среды.

Последствия деформации оснований могут проявляться в виде трещин в стенах, наклона этажей или даже обрушения конструкции. Поэтому важно тщательно анализировать характеристики грунтов и правильно рассчитывать нагрузки, чтобы минимизировать риск деформаций и обеспечить долговечность строений.

Деформации зданий и сооружений и порядок их выявления

Гура, Т. А. Деформации зданий и сооружений и порядок их выявления / Т. А. Гура, А. О. Бирюкова, Е. А. Овсиенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 30 (134). — С. 59-62. — URL: https://moluch.ru/archive/134/37529/ (дата обращения: 10.01.2025).

В данной статье рассматриваются виды деформаций зданий и сооружений. Приведены распространенные методы и порядки выявления зданий и сооружений, рассмотрены характеристики деформаций фундамента и основные причины их появления.

Ключевые слова: строительство, здания и сооружения, деформации

Значительное место в современной практике инженерных работ занимает наблюдение за деформациями зданий и сооружений, ведь ни одно строительство не обходится без измерений деформаций, а в процессе стройки более крупных сооружений наблюдения могут продолжаться весь период эксплуатации, ведь о величины происходящих деформаций зависит их устойчивость и нормальный режим технологического процесса. Но при этом сложность и объем наблюдений, требования к точности их производства возрастают ежегодно. [1]

Деформации оснований сооружений происходят за счет перемещения частиц грунта, их сжимаемости. Основные факторы, которые влияют на сжимаемость грунта:

1) Величина сжимаемой толщи и пористость;

2) Размер, форма, вес фундамента;

3) Распределение давления по подошве фундаментов, конструктивная жесткость;

4) Материал, тип надфундаментных конструкций;

5) Природные факторы(просадка, пучение, изменение влажности пород, грунтовых вод) и др.

Выделяют следующие виды деформаций: осадка, набухание и усадка, оседание, подъем (или выпучивание), перемещение в сторону.

Вертикальные деформации оснований зданий и сооружений делятся на осадки и просадки.

Просадка — это сложный процесс, описывающий сильное изменение структуры грунта, его подвижки.

Осадка — медленная, сравнительно небольшая деформация, которая происходит в результате уплотнения грунта под действием силы тяжести здания или сооружения. Математическая характеристика осадок выражается величинами перпендикуляров, которые опущены с начальной горизонтальной плоскости (образованой подошвой фундамента) до пересечения с деформированной поверхностью. Если отрезки этих перпендикуляров равны — осадки равномерны, если не равны — осадки неравномерны.

Рис. 1. а) равномерные осадки;б) неравномерные осадки

Равномерные осадки происходят в тех случаях, когда давление веса сооружения и сжимаемость грунтов во всех случаях основания под фундаментом одинаковы.Неравномерные осадки происходят в результате различного давления частей сооружения и неодинаковой сжимаемости грунтов под фундаментом, что, в свою очередь, вызывает разного рода перемещения и деформации в надфундаментальных конструкциях. В реальности равномерных осадок почти не бывает, т. к. геологическое строение основания и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях даже на незначительных площадях неоднородно.

Равномерные осадки не снижают прочности и устойчивости сооружений, но большие по величине равномерные осадки могут вызвать при эксплуатации сооружения осложнения, способствовать появлению новых нежелательных деформаций. Неравномерные осадки являются более опасными для сооружений. Например, даже незначительный наклон высокого сооружения может вызвать нарушения при эксплуатации лифта, привести к перенапряжениям в несущих конструкциях. Опасность больше, если значительнее разность осадок частей сооружений, чувствительнее к осадкам конструкции частей. В случае, когда сжимаемость грунтов под фундаментом неодинакова или нагрузка, которая приходится на грунт — различна, возникают деформации — смещения, кручения, которые внешне могут проявляться в виде трещин, разломов. [2, 3, 4]

Характеристика деформаций фундамента:

1) Полная осадка (S) отдельных точек фундамента, которая определяется измерениями: , где Hо — отметка начального цикла измерений; Hi — отметка текущего цикла измерений (отметки определены относительно отметки исходной точки, которая принимается за неподвижную). [5, 13]

2) Средняя осадка сооружения Sср, которая определяется вычислениями по данным фактических осадок не менее, чем 3х отдельных фундаментов, которые расположены в пределах здания (сооружения).

, где n — количество точек.

Для полноты общей характеристики вместе со средней осадкой указывают Smax и Smin — наибольшая и наименьшая осадки точек здания (сооружения).

3) Разности осадок двух точек i и j или двух (m-го и n-го) циклов наблюдений вычисляются соответственно по формулам: [8, 11]

4) Послойная деформацияZ грунтов оснований/толщи тела здания мощностью z определяется: (для точек, которые закреплены в кровле и подошве слоя грунта здания).

5) Перекос конструкции (только для относительно жестких зданий и сооружений), измеряемый максимальной разностью неравномерных осадок двух соседних опор, отнесенных к расстоянию между ними. [9, 10]

6) Крен (только для абсолютно жестких зданий (сооружений)) — представляет собой наклон/поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок без нарушения его цельности и геометрических форм.

В строительной практике различают:

− крен здания(сооружения), характеризующийся отклонением его вертикальной оси от отвесной линии, выражающийся в угловой, линейной, относительной мере;

− крен фундамента, который представляет собой отклонение плоскости подошвы от горизонта. Выражается в линейной (или относительной) мере. [7]

Для оценки устойчивости сооружений более наглядной является характеристика крена, которая отнесена к расстояниюL между точками i иj. Относительный крен K (завал и перекос соответственно)

7) Относительный прогиб (перегиб) фундамента Симметричный относительный прогиб f отдельных частей сооружения вычисляется:

где Si и Sj -осадки точек i и j, которые фиксированы на краях прямолинейного участка сооружения длиной L; Sk — осадка точки K, расположенной в середине между точками i и j

8) Кручение здания, которое представляет собой сложную деформацию — поворот параллельных сечений здания (сооружения) вокруг продольной оси в разные стороны и на разные углы.

9) Горизонтальное смещениеQ отдельной точки сооружения, характеризующееся разностью координат Xn, Yn, Xm, Ymсоотв. в n-ном и m-ом циклах наблюдений. Вычисляют смещения в общем случае:

10) Трещины, которые представляют собой разрывы в отдельных конструкциях здания (сооружения) и возникающие вследствие неравномерных осадок и дополнительных напряжений.

Способы наблюдения за деформациями в зданиях и сооружениях

Наблюдения за осадками зданий и сооружений выполняют различными способами: гидронивелирование, геометрическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, нивелирование стереофотограмметрическим и фотограмметрическим способами. [12]

Наблюдения за деформациями ввысотных зданиях исооружениях.

Возводимые высотные здания и сооружения различаются по значению и конструкции. По конструктивным признакам различают высотные сооружения ступенчатого, коробчатого и башенного типа. К первым относятся высотные дома. Вторые — это телевизионные башни, дымовые трубы, градирни ТЭЦ, радиорелейные мачты и т. д.

Для высотных зданий характерна большая нагрузка, распределенная на небольшой площади. Естественно, основная часть нагрузки приходится на основание и фундамент. Это и вызывает осадку сооружений, которая, в свою очередь, нарушает вертикальность здания и трещинам. Нагрузки возрастают в период возведения здания и становится устойчивым во время его эксплуатации.

Имеют место быть динамические деформации, появляющиеся из-за изменений температуры, ветра и колебаний здания. Они встречаются среди зданий ступенчатого и башенного типа. Наблюдения за осадками производят в основном методом высокоточного геометрического нивелирования по осадочным маркам, закрепленным непосредственно на исследуемой части сооружений.

Высокоточный геометрический метод нивелирования позволяет определить осадки сооружения по осадочным маркам, которые размещены на стенах здания по обе стороны осадочных швов и линийили фундаменте. Марки должны быть расположены так, чтобы было комфортно работать с инструментами. Осадки высотных зданий способны вызывать осадки соседних сооружений и поэтому некоторые марки располагают на этих зданиях. Для измерения осадок применяют также переносные и стационарные гидростатические системы. В этом случае абсолютные величины осадок определяются путем периодической привязки нескольких точек гидростатической системы к исходным фундаментальным реперам. После измерений вычисляется абсолютная величина и скорость осадки каждой марки, средняя осадка для всего сооружения, крены и прогибы его отдельных частей. [14, 15]

Из выше сказанного следует, что современное и систематическое наблюдение за деформациями зданиями и сооружениями повышает уровень безопасности строительных объектов, снижает риск возникновения аварийных ситуаций.

1. Астахова И. А. Геодезия // учебно-методическое пособие, Федеральное агентство по образованию, ГОУ ВПО «Майкопский гос. технологический ун-т», Фак. аграрных технологий, Каф. землеустройства. Майкоп, 2009.
2. [http://1igp.ru/info/rol-geodezii.php], (дата обращения 21.11.2016)
3. Гура Д. А., Доценко А. Е. О необходимости выполнения геодезической съемки // Сборник трудов конференции: Актуальные вопросы науки. Материалы IX Международной научно-практической конференции. 2013. С. 204–205.
4. Zheltko Ch. N., Gura D. A., Shevchenko G. G., Berdzenishvili S. G. Experimental investigations of the errors of measurements of horizontal angles by means of electronic tacheometers // Measurement Techniques. 2014. Т. 57. № 3. С. 277–279.
5. Востриков Н. Г. Просадочные процессы и их формы рельефа на территории Прикубанской равнины: особенности и распространение.
6. Гура Д. А., Рыжкова А. А., Болобан Т. И., Болгова А. С., Черепанов А. С., Кашаев Б. Р. Основные геодезические работы в строительстве // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2016. № 2. С. 133–137.
7. Кузнецова А. А., Гура Д. А., Алкачев Т. Э. Анализ полученных данных методом лазерного сканирования для выполнения периодического мониторинга на примере здания расположенного в г. Краснодаре // Статья в журнале: Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2014. № 4. С. 77–83.
8. Шевченко Г. Г., Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Пастухов М. А. Определение смещений и осадок сооружений с использованием поискового метода уравнивания // Новый университет. Серия: Технические науки. 2013. № 7 (17). С. 37–40.
9. Желтко Ч. Н., Шевченко Г. Г., Гура Д. А., Кузнецова А. А. Алгоритм определения координат при мониторинге сооружений с использованием поискового метода уравнивания // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2013. № 3. С. 60–64.
10. Хорцев В. Л., Проскура Д. В., Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Горизонтальные и вертикальные смещения сооружений и причины их возникновения // Сборник трудов конференции: Науки о Земле на современном этапе. VI Международная научно-практическая конференция. 2012. С. 116–119.
11. Шевченко Г. Г., Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Пастухов М. А. Метод определения смещений и осадок сооружений с учетом особенностей работ на строительной площадке // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 11. С. 23–24.
12. Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Экологический мониторинг деформации сооружений с использованием наземного лазерного сканирования // В сборнике: Строительство — 2010. Материалы Международной научно-практической конференции. Дорожно-транспортный институт. 2010. С. 152–153.
13. Денисенко В. В., Ляшенко П. А. Анализ методов компрессионных испытаний грунтов // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2015, № 2. — С. 104–125. — URL: http://ntk.kubstu.ru/file/337.
14. Гура Т. А., Ерешко П. С. Требования к точности выполнения геодезических измерений при определении осадок зданий// В сборнике: Европейские научные исследования сборник статей Международной научно-практической конференции. под общей редакцией Г. Ю. Гуляева. 2016. С. 190–194.
15. Гура Т. А., Вовк С. Г., Чернова Н. В., Шишкина В. А. Анализ причин и последствий возникновения осадок и смещений зданий// В сборнике: International innovation research сборник статей победителей V Международной научно-практической конференции. Пенза, 2016. С. 176–181.

Основные термины (генерируются автоматически): осадок, сооружение, здание, деформация, фундамент, башенный тип, марка, осадок сооружения, сжимаемость грунтов, характеристика деформаций фундамента.

Расчеты деформаций грунтов

Пожалуй, одной из самых распространенных задач в практике проектирования является задача по определению деформаций оснований. Деформации оснований фундаментов возникают, даже если обеспечена прочность грунта, т.е. деформация фундамента является неотъемлемым явлением при строительстве зданий и сооружений.

Как правило, деформации основания фундамента имеют неравномерный характер, как во времени, так и в пространстве, что осложняет процесс изучения природы этого явления.

Неравномерная деформация фундаментов может затруднить нормальную эксплуатацию объекта и даже, привести к аварийным ситуациям.

В соответствии с действующими нормами и правилами в строительстве целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность.

Расчеты деформации грунтов

Оценка и расчет деформаций грунтов, в общей системе «сооружение-основание», является одной из самых сложных инженерных задач, т.к. на это явление влияет множество факторов:

• Интенсивность и скорость приложения нагрузок и воздействий;
• Напряженно-деформируемое состояние массива грунтов;
• Технология производства строительных работ;
• Жесткость возводимого сооружения;
• Плотность застройки и окружающая среда строительства;
• Инженерно-геологические и гидрогеологические условия;
• Характер эксплуатации здания или сооружения;
• И прочее.

Совокупность этих факторов значительно усложняет задачу по расчету деформаций фундаментов зданий и сооружений, поэтому в процессе инженерного проектирования приходиться прибегать к ряду упрощающих предпосылок.

Так известно, что деформация грунтов под нагрузкой имеет нелинейный характер s=f(p). Но в некотором диапазоне нагрузок эта зависимость близка к линейной, при этом развитие осадок во времени несет затухающий характер. В практике проектирования такой предел “линейной” работы грунтов определяется расчетным сопротивлением грунта R. Это дает возможность применять математический аппарат теории линейного деформирования грунтов при P≤R.

При этом процесс строительства рассматривается как одноразовое нагружение, вызывающее их общее деформирование без разделения на восстанавливающуюся и пластическую составляющие деформации грунтов.

Разделение деформации грунтов на стабилизированную и нестабилизированную является другой важной предпосылкой. Как правило, при проведении расчетов, проектировщика интересует конечная величина деформации основания, а время в течении которого происходит эта деформация является не существенным фактором. Это предположение в постановке задачи приводит к значительному упрощению инженерных расчетов.

Хотя, при этом, на практике, часто приходиться учитывать и скорость развития деформаций. Тогда выполняются прогнозы развития осадок фундаментов во времени и выполняется анализ неравномерности деформации фундаментов зданий и сооружений для наиболее опасных этапов строительства и эксплуатации. В некоторых случаях приходиться выполнять расчет осадок фундаментов при среднем давлении под подошвой фундамента P, больше расчетного сопротивления R, (P>R), в этом случае необходимо прибегать к методам нелинейной механики грунтов.

Действующий свод правил в строительстве СП 22.13330.2011, регламентирует расчет осадки основания фундамента с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства, методом послойного суммирования.

Этот расчет можно выполнить на нашем сайте в режиме онлайн — расчет осадки основания фундамента.

Виды деформации грунтов

Деформации и перемещения основания (далее — деформации основания) подразделяются на:

• Осадки происходящие в результате уплотнения грунта под внешними нагрузками, без коренного изменения структуры грунта;
• Просадки происходящие в результате уплотнения и коренного изменения структуры грунта, с воздействием внешних факторов, такими как замачивание, оттаивание и пр.;
• Подъемы и осадки происходящие при изменении объема грунта, при изменении влажности, промерзании или оттаивании, при воздействии химических веществ.
• Оседания происходящие при разработке скальных массивов, при изменении гидрогеологических условий района и пр.;
• Горизонтальные перемещения связаны с действием горизонтальных нагрузок.

Для выявления и оценки совместной деформация сооружения и основания различают:

• Абсолютные осадки которые характеризуются осадкой какой-либо точки фундамента;
• Средние осадки – средняя осадка абсолютных их значений;
• Относительные осадки рассчитываются при определении абсолютных значениях и дальнейшем их анализе – относительная разность осадок двух фундаментов, крен и пр.;
• Крен это разность осадок двух или более точек отнесенных к расстоянию между ними;
• Кривизна изгибаемого участка (прогиб или выгиб);
• Относительный угол закручивания;
• Горизонтальные перемещения.

По причине возникновения деформации разделяют на два вида:

• Деформации от внешней нагрузки или воздействия (осадки, просадки или горизонтальные перемещения);
• Деформации не связанные с внешними нагрузками и воздействиями (оседания, провалы и пр.)

Деформация оснований

Во время строительства зданий и сооружений необходимо, что бы деформация оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций была в пределах осуществления нормальной эксплуатации объектов и отсутствия недопустимых перемещений (трещины, садки, расстройство соединений, крены и т.д. ).

Вертикальные деформации основания подразделяются на:

• Осадки – деформация, которая происходит в результате уплотнения грунта из-за внешних нагрузок и в некоторых случаях – собственного веса грунта, при этом не происходит коренного изменения его структуры;

• Просадки – деформации, которые происходят в результате уплотнения и вместе с тем, коренным изменением структуры грунта под воздействием нагрузок, как внешних и собственного веса грунта, так и факторов, действующих дополнительно (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзшем грунте и т.д.);

• Набухание и усадки – это деформации, которые получаются при изменении объема глинистых грунтов из-за изменения их влажности, температуры – морозное пучение или химическое воздействие веществ.

• Оседания – это деформации земной поверхности, которая получается при разработке полезных ископаемых, при изменении гидрогеологических условий, и т.д.

В зависимости от причин возникновения, деформации основания подразделяются на два основных вида.

1. Деформации грунтов образованных в связи с нагрузками на основание передаваемых зданием или сооружением (садки, просадки);
2. Деформации, не зависящие от нагрузки здания или сооружения, которые проявляются в виде горизонтальных и вертикальных перемещений поверхности основания (набухания и усадки, оседания, просадки грунта от собственного веса).

Неравномерные деформации наиболее опасны для зданий и сооружений.

Основные причины неравномерных деформаций основания:

• Изменение снижаемости обычных грунтов 1 типа по просадочности из-за неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев, наличие лина и других включений, неравномерного уплотнения грунтов, в т.ч. искусственных подушек, и т.д.;

• Особенность деформирования основания как сплошной среды, которая проявляется, например, в том, что осадки основания происходят не только в пределах площадки загружения, но и за ее пределами;

• Неравномерное увлажнение грунтов, в т.ч. просадочных, набухающих и засоленных в пределах деформируемой зоны основания;

• Различие величин нагрузок на отдельные фундаменты, их размеров в плане и глубины заложения;

• Неравномерное распределение нагрузок на территории в непосредственной близости от сооружения;

• Нарушения правил производства строительных работ, приводящие к ухудшению свойств грунтов, ошибки, допущенные при инженерно-геологических изысканиях и проектировании оснований и фундаментов, также нарушение предусмотренных проектом условий эксплуатации здания и сооружения.

Для деформации основания 2-го вида:

• Замачивание или существенное повышение влажности грунтов на площадках 2го типа по просадочности;

• Подземные горные выработки;

• Изменение температурно-влажностного режима некоторых видов грунтов (например, набухающих) изменение гидрогеологических условий площадки и т.д.;

• Влияние динамических воздействий (например, от проходящего по рядом расположенной дороге тяжелого транспорта).

Компания СтройДиалог предлагает блоки бетонные фундаментные и кирпич для фундаментов.

Ещё статьи по теме:

• Из какого материала закладывают фундамент
• Какую функцию выполняет цоколь здания
• Что такое циклопическая бутовая кладка
• Конструктивные мероприятия, обеспечивающие жесткость конструкции
• Устройство фундаментов зданий и сооружений на просадочных грунтах
• Конструктивные мероприятия
• Защита фундаментов в зимний период
• Устройство фундаментов зданий и сооружений, возводимых на грунтах, обладающих свойствами морозного пучения
• Как производить бетонирование фундаментов в зимних условиях?
• Блоки фундаментные