Несипбай М.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВАЙНЫХ ЭКРАН-БАРЬЕРОВ В ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ *
Аннотация:
в работе рассматриваются отдельные аспекты применения геотехнической сейсмоизоляции зданий с использованием свайных экран-барьеров, размещаемых в грунтовом основании. Основное внимание уделено анализу влияния геометрических параметров свайных элементов на характер сейсмического отклика сооружения. В качестве основного метода исследования использовано численное моделирование системы «грунт, экран-барьер, здание» при динамическом воздействии. В рамках исследования выполнено варьирование длины, толщины и расстояния экран-барьера от здания и проанализированы изменения отклика расчетной модели. Полученные результаты носят оценочный характер и позволяют рассмотреть возможные направления повышения эффективности геотехнической сейсмоизоляции. Материалы исследования могут быть использованы при дальнейшем изучении и обосновании инженерных решений по снижению сейсмического воздействия на здания.
Ключевые слова:
геотехническая сейсмоизоляция, свайные экран-барьеры, сейсмическое воздействие, грунтовое основание, численное моделирование, динамический анализ, здания
Введение. Сейсмическая опасность остаётся одним из существенных факторов риска для зданий и сооружений, возводимых в районах с повышенной сейсмичностью. Анализ последствий сильных землетрясений показывает, что значительная часть повреждений обусловлена передачей сейсмических колебаний от грунтового основания к строительным конструкциям. В связи с этим актуальной является задача разработки инженерных решений, направленных на снижение уровня сейсмического воздействия на здания.Традиционные системы сейсмозащиты, основанные на применении конструктивной сейсмоизоляции и демпфирующих устройств, широко используются в строительной практике, однако их применение нередко сопровождается высокой стоимостью и технологическими ограничениями, особенно при реконструкции существующих зданий. Это обусловливает интерес к альтернативным подходам, ориентированным на изменение условий передачи сейсмических воздействий через грунтовое основание.Одним из таких подходов является геотехническая сейсмоизоляция, предполагающая использование элементов, способных влиять на характер распространения сейсмических волн в грунтовом массиве. В рамках данного направления рассматривается применение вертикальных экран-барьеров, размещаемых в основании здания. Подобные барьеры могут изменять динамический отклик сооружения за счёт рассеивания и ослабления сейсмических колебаний.Отдельный интерес представляют свайные экран-барьеры, отличающиеся технологической реализуемостью и возможностью варьирования геометрических параметров. Это создаёт предпосылки для анализа влияния длины, толщины и расстояния между свайными элементами на сейсмический отклик расчетной модели здания. В этой связи актуальным является исследование особенностей применения свайных экран-барьеров в составе геотехнической сейсмоизоляции на основе численного моделирования. [1, с. 18].Материалы и методы.В рамках исследования был выполнен нелинейный нестационарный динамический анализ двумерной конечно-элементной модели системы «грунтовое основание – фундамент – здание» с использованием программного комплекса PLAXIS. Проведённые расчёты были направлены на оценку влияния геометрических параметров вертикальных барьеров, заполненных материалом типа RSM, а также на анализ их рациональных размеров. Программный комплекс PLAXIS представляет собой специализированное программное средство, основанное на методе конечных элементов и применяемое для анализа деформированного состояния и устойчивости геотехнических сооружений. Формирование расчётной модели, включая задание геометрии грунтовых слоёв, конструктивных элементов, нагрузок и граничных условий, осуществлялось с использованием CAD-процедур, что позволило обеспечить детализированное и корректное воспроизведение инженерных условий.Конструктивная схема железобетонного каркаса здания принималась в соответствии с требованиями нормативных документов Республики Казахстан, разработанных на основе Еврокодов (CR RK EN 1992). Расчёт статических нагрузок осуществлялся в соответствии с положениями Кодекса правил Республики Казахстан CR RK EN 1991. Основные параметры расчётной модели здания, а также инженерно-геологические условия площадки строительства, реализованные в программном комплексе PLAXIS, приведены на рисунке 1.Рисунок 1. Параметры моделирования,принятые для численного анализа в программе PLAXIS.Грунтовый массив в численной модели рассматривался в двумерной постановке с условиями плоской деформации и двумя степенями свободы в узлах. Для аппроксимации области использовались трёхузловые изопараметрические треугольные конечные элементы, позволяющие адекватно описывать динамическое поведение грунтового основания при сейсмическом воздействии. Расчётная область грунта задавалась с глубиной 25 м, а её горизонтальные размеры принимались увеличенными по сравнению с габаритами здания с целью снижения влияния отражений волн от границ модели.Ширина расчётного грунтового профиля назначалась исходя из высоты рассматриваемого здания и составляла порядка 105 м, что обеспечивало приближение граничных условий к условиям свободного поля. Конечно-элементная сетка формировалась с учётом требований к корректному моделированию волновых процессов, при этом размеры элементов выбирались исходя из условий достаточного разрешения длин волн в рассматриваемом диапазоне частот. На рисунке 2 представлена расчётная схема геотехнической сейсмоизоляции с применением вертикальных экран-барьеров из грунтоцемента для многоэтажного здания с пространственной каркасной системой.Рисунок 2. Расчётная схема системы геотехнической сейсмоизоляции.Динамические характеристики материала экран-барьера оказывают определяющее влияние на эффективность геотехнической сейсмоизоляции. В отличие от композитных резино-грунтовых смесей, в настоящем исследовании в качестве материала барьера принят грунтоцемент, обладающий повышенной жесткостью и пониженной деформативностью.Согласно экспериментальным и численным исследованиям, представленным в отечественных и зарубежных работах, динамический модуль сдвига и коэффициент демпфирования грунтоцемента зависят от уровня сдвиговых деформаций и состава вяжущего. При малых деформациях грунтоцемент характеризуется высокими значениями начального модуля сдвига, что способствует отражению и перераспределению сейсмических волн в массиве грунта.Следует отметить, что при моделировании динамического поведения грунтовых материалов неизбежна неопределённость их параметров. В связи с этим при численном анализе допускается варьирование динамических характеристик в пределах инженерно обоснованных допусков, что соответствует общепринятой практике динамического расчёта оснований и фундаментов. Динамические свойства грунтов и материалов основания существенно зависят от уровня сдвиговых деформаций, что учитывается при численном моделировании сейсмического воздействия. В программном комплексе PLAXIS нелинейное поведение грунта аппроксимируется с использованием эквивалентного линейного подхода, при котором деформационные характеристики описываются секущим модулем сдвига и коэффициентом демпфирования.Землетрясения обусловлены тектоническими процессами и сопровождаются высвобождением энергии, проявляющимся в виде колебаний грунта. Эти колебания регистрируются приборами и представляются в форме акселерограмм - временных зависимостей ускорений по трём взаимно перпендикулярным направлениям X, Y и Z.Грунтовый массив, фундамент и свайные экран-барьеры моделировались твёрдыми конечными элементами, а надстройка здания учитывалась с заданием инерционных характеристик. Сейсмическое воздействие прикладывалось на уровне основания модели в виде временных зависимостей ускорений грунта. В качестве входного сигнала использована обобщённая акселерограмма, отражающая характерные особенности сильных землетрясений и применяемая для параметрических исследований. Пример используемой акселерограммы приведён на рисунке 3.Рисунок 3. Пример обобщённой акселерограммы сейсмического воздействия.В расчётах использовалась обобщённая акселерограмма сейсмического воздействия, отражающая амплитудно-частотные характеристики, типичные для сильных землетрясений. Принятая форма акселерограммы характеризуется наличием участков с повышенными амплитудами и широким частотным составом, что позволяет воспроизвести основные особенности динамического воздействия на здание.Используемые временные зависимости ускорений нормировались относительно максимального абсолютного ускорения контрольной расчётной модели. Для оценки эффективности геотехнической сейсмоизоляции выполнен параметрический анализ влияния геометрических характеристик свайных экран-барьеров, включая их толщину, длину и расстояние от здания, на динамический отклик сооружения. В качестве результирующих показателей рассматривались значения горизонтальных ускорений и спектры отклика в характерных точках здания.Рисунок 4. Спектры горизонтальных ускорений верхней точки зданияпри отсутствии барьера и при различных значениях его толщины.Сравнение спектров отклика здания при отсутствии барьера и при наличии свайного экран-барьера различной толщины рисунок 4 показывает, что введение барьера оказывает влияние на уровень горизонтальных ускорений в верхней точке здания. В целом результаты указывают на тенденцию к снижению пиковых значений спектральных ускорений при увеличении толщины барьера, при этом более значительная толщина, как правило, сопровождается более выраженным эффектом снижения динамического отклика.В то же время следует отметить, что увеличение толщины барьера не приводит к однозначно пропорциональному росту эффективности. Полученные зависимости свидетельствуют о том, что влияние данного параметра определяется совокупностью факторов, включая характеристики входного сейсмического воздействия и геометрию барьерной конструкции. Это указывает на необходимость учитывать рациональные значения толщины свайного экран-барьера при оценке его эффективности.Глубина свайного экран-барьера рассматривается как один из параметров, потенциально влияющих на динамический отклик здания при сейсмическом воздействии. Результаты численного анализа показывают, что при наличии барьера наблюдается снижение максимальных горизонтальных ускорений по сравнению с вариантом без барьера, причём данный эффект, как правило, усиливается с увеличением глубины свай.Рисунок 5. Зависимость максимальных горизонтальных ускоренийверхней точки здания от глубины свайного экран-барьера.Анализ зависимости максимальных ускорений от глубины свайного экран-барьера указывает на тенденцию к более выраженному ослаблению динамического отклика при использовании свай большей длины. Вместе с тем характер изменения ускорений не является строго линейным, что свидетельствует о влиянии совокупности факторов, включая параметры входного сейсмического воздействия и особенности взаимодействия волн с барьером и грунтовым массивом. Полученные результаты позволяют предположить наличие рационального диапазона глубин свайного экран-барьера, в пределах которого достигается наибольшая эффективность геотехнической сейсмоизоляции.Расположение свайного экран-барьера относительно здания рассматривается как один из факторов, способных влиять на величину динамического отклика при сейсмическом воздействии. Результаты численного анализа показывают, что при уменьшении расстояния между барьером и зданием наблюдается снижение максимальных горизонтальных ускорений по сравнению с вариантом без барьера.Рисунок 6. Зависимость максимальных горизонтальных ускорений верхней точки здания от расстояния свайного экран-барьера до здания.Анализ зависимости ускорений от расстояния барьера до здания указывает на тенденцию к более выраженному снижению динамического отклика при меньших значениях расстояния. При увеличении расстояния эффект ослабления ускорений становится менее заметным, что свидетельствует о снижении эффективности экран-барьера при его удалении от фундамента здания. Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности размещения барьера на ограниченном расстоянии от здания с учётом конструктивных и эксплуатационных требований.
Номер журнала Вестник науки №12 (93) том 3
Ссылка для цитирования:
Несипбай М.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВАЙНЫХ ЭКРАН-БАРЬЕРОВ В ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ // Вестник науки №12 (93) том 3. С. 1672 - 1682. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/27689 (дата обращения: 10.02.2026 г.)
Вестник науки © 2025. 16+