Обґрунтування технології вирівнювання по вертикалі будівель і споруд, що отримали нерівномірне осідання в складних умовах

Губар, Вікторія Григорівна
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7007
Назва:	Обґрунтування технології вирівнювання по вертикалі будівель і споруд, що отримали нерівномірне осідання в складних умовах
Автори:	Демессіе , Мекуріа Келкай Губар, Вікторія Григорівна
Ключові слова:	вирівнювання будівель;відновлення споруд;нерівномірне осідання;складні інженерно-геологічні умови;технологія стабілізації
Дата публікації:	січ-2026
Короткий огляд (реферат):	Кваліфікаційна робота присвячена комплексному аналізу, дослідженню та обґрунтуванню сучасних технологій вирівнювання по вертикалі будівель і споруд, що зазнали нерівномірного осідання в складних інженерно-геологічних та експлуатаційних умовах. У дослідженні розглянуто причини виникнення непроєктного геометричного положення будівель і споруд, а також наслідки такого деформованого стану для їхньої надійності, безпеки та довговічності. Особливу увагу приділено аналізу та оцінці ефективності існуючих і перспективних технологій виправлення просторового положення конструкцій, зокрема із застосуванням сучасних пристроїв і конструктивних рішень зі змінними параметрами. Запропоновані технічні рішення базуються на принципі регулювання геометричного положення конструктивних елементів будівель і споруд, що дає змогу не лише усувати вже виниклі деформації, але й запобігати їх подальшому розвитку. Використання обґрунтованих технологій вирівнювання по вертикалі сприятиме підвищенню експлуатаційної надійності, несучої здатності та довговічності будівель і споруд, а також зменшенню ризиків аварійних ситуацій у складних умовах будівництва та експлуатації.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7007
Розташовується у зібраннях:	192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
Кваліфікаційна робота магістра Губар В.Г. МГБ-404.pdf Restricted Access		5.55 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет технологій, будівництва та раціонального природокористування 
Кафедра промислового та цивільного будівництва
«ДО ЗАХИСТУ ДОПУСТИТИ»
Завідувач кафедри ПЦБ 
к.т.н., доцент Сергій ПРЯНИК
”” січня 2026 р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
магістр
(освітній рівень)
на тему «Обґрунтування технології вирівнювання по вертикалі будівель і 
споруд, що отримали нерівномірне осідання в складних умовах»
Виконала: здобувач вищої освіти 2_ курсу, групи ЗМГБ-404 
спеціальності 192 - Будівництво та цивільна інженерія, 
освітня програма «Промислове і цивільне будівництво»
Губар В.Г.
(підпис) (прізвище, ініціали)
Керівник кваліфікаційної роботи магістра 
к.т.н., доцент Демессіе М.К._______  _____
(науковий ступінь, вчене звання,, прізвище, ініціали) (підпис)
Рецензент кваліфікаційної роботи магістра
(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ініціали) (підпис)
Черкаси 2026 р
1

Анотація
Губар В.Г. «Обґрунтування технології вирівнювання по вертикалі будівель і 
споруд, що отримали нерівномірне осідання в складних умовах». - Рукопис.
Кваліфікаційна робота здобувана вищої освіти за спеціальністю 192 - 
Будівництво та цивільна інженерія. - Черкаський державний технологічний 
університет, Черкаси, 2026.
Кваліфікаційна робота присвячена комплексному аналізу, дослідженню та 
обґрунтуванню сучасних технологій вирівнювання по вертикалі будівель і 
споруд, що зазнали нерівномірного осідання в складних інженерно-геологічних 
та експлуатаційних умовах. У дослідженні розглянуто причини виникнення 
непроєктного геометричного положення будівель і споруд, а також наслідки 
такого деформованого стану для їхньої надійності, безпеки та довговічності. 
Особливу увагу приділено аналізу та оцінці ефективності існуючих і 
перспективних технологій виправлення просторового положення конструкцій, 
зокрема із застосуванням сучасних пристроїв і конструктивних рішень зі 
змінними параметрами. Запропоновані технічні рішення базуються на принципі 
регулювання геометричного положення конструктивних елементів будівель і 
споруд, що дає змогу не лише усувати вже виниклі деформації, але й запобігати 
їх подальшому розвитку. Використання обґрунтованих технологій вирівнювання 
по вертикалі сприятиме підвищенню експлуатаційної надійності, несучої 
здатності та довговічності будівель і споруд, а також зменшенню ризиків 
аварійних ситуацій у складних умовах будівництва та експлуатації.
Ключові слова: технологія, вертикальне вирівнювання, будівля, споруда, 
нерівномірне осідання, складні умови, деформації, надійність, довговічність.
З
ЗМІСТ Арк
ВСТУП.................................................................................................................. 6
РОЗДІЛ 1. ІСТОРІЧНІ АСПЕКТИ ПРОБЛЕМИ В ТЕХНОЛОГІЯХ 
ВИРІВНЮВАННЯ ПО ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД, ЩО 
ОТРИМАЛИ НЕРІВНОМІРНЕ ОСІДАННЯ В СКЛАДНИХ УМОВАХ 11 
1.1. Особливості проектування будівель і споруд в складних умовах та 
причини виникнення нерівномірних деформацій............................ 11
1.2. Напружено-деформований стан елементів каркасного будинку та 
його вплив на розрахункові моделі ґрунтової основи................................. 19
1.3. Сучасний стан технологій підвищення експлуатаційної надійності 
будівель................................................................................................................ 22
1.4. Аналіз методів вирівнювання каркасних будівель і споруд................. 24
Висновки до розділу 1........................................................................................ 28
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ ВИРІВНЮЮЧОГО 
ПРИСТРОЮ ТА КОНСТРУКЦІЇ ДЛЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРІВНЮВАННЯ 
ПО ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД В СКЛАДНИХ 
УМОВАХ.............................................................................................................. ЗО
2.1 Технологічні параметри вирівнюючого пристрою для вирівнювання 
будівель і споруд................................................................................................ ЗО
2.2 . Аналіз методик чисельного експерименту по технології 
вирівнювання на напружено-деформований стан елементів каркасних 
будівель і споруд............................................................................................... 41
Висновки до розділу 2........................................................................................ 52
РОЗДІЛ 3. ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРІВНЮВАННЯ ПО 
ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД, ЩО ОТРИМАЛИ НЕРІВНОМІРНЕ 
ОСІДАННЯ В СКЛАДНИХ УМОВАХ......................................................... 54
3.1 Технологія використання пристрою та результати дослідження 
деформативності піску при роботі пристрою вирівнювання...................... 54
4
3.2 . Аналіз результатів дослідження з вирівнювання елементів каркасних 
будівель і споруд за допомогою вирівнювального пристрою...................... 63
3.3 Визначення залежності величини осідання пристрою від його 
технологічних параметрів.............................................................................. 66
Висновки до розділу 3....................................................................................... 70
РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО 
СТАНУ ЕЛЕМЕНТІВ КАРКАСУ БУДІВЛІ ПРИ РОБОТІ ПРИСТРОЮ 
ДЛЯ ВИРІВНЮВАННЯ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД ......................................... 72
4.1 Дослідження напружено-деформованого стану елементів каркасного 
будинку при одноетапному вирівнюванні на територіях зі складними 
інженерно-геологічними умовами................................................................. 72
4.2 Дослідження напружено-деформованого стану елементів каркасного 
будинку при багатоетапному вирівнюванні на територіях зі складними 
інженерно-геологічними умовами.................................................................. 80
Висновки до розділу 4........................................................................................ 94
РОЗДІЛ 5. РЕЗУЛЬТАТИВНІСТЬ ПРИЙНЯТИХ РІШЕНЬ В 
ТЕХНОЛОГІЯХ ВИРІВНЮВАННЯ ПО ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І 
СПОРУД............................................................................................................... 97
5.1 Застосування технологій вирівнювання.................................................. 97
5.2 Конструктивні вимоги щодо проектування будівель з пристроєм для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі...................... 98
5.3 Контроль якості виконання робіт............................................................ 102
5.4 Проектування технологічного процесу по вирівнюванню будівель і 
споруд та обґрунтування результативності................................................... 103
Висновки до розділу 5........................................................................................ 106
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.................................................................................... 107
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.......................................................... 110
5
ВСТУП
Актуальність теми. Під час експлуатації будівель і споруд у складних 
інженерно-геологічних умовах нерідко виникають додаткові зусилля та 
деформації в ґрунтових основах і конструктивних елементах, зумовлені 
нерівномірними деформаціями основи. Для окремих територій України такі 
складні інженерно-геологічні умови є однією з основних причин нестабільності 
ґрунтових основ, порушення геометричного положення як новозведених, так і 
вже існуючих будівель і споруд, що, у свою чергу, призводить до підвищення 
ризику зниження або втрати їх несучої здатності та експлуатаційної придатності. 
У зв’язку з цим особливої актуальності набуває проблема постійного контролю 
технічного стану несучих конструкцій будівель і споруд, розташованих на 
територіях зі складними умовами, з метою своєчасного виявлення негативних 
змін і запобігання виникненню аварійних ситуацій. Важливим також є 
обґрунтований вибір комплексу інженерних заходів, спрямованих на мінімізацію 
або усунення наслідків нерівномірного осідання. Контроль технічного стану 
несучих конструкцій повинен мати систематичний характер та забезпечувати 
можливість оцінки змін, що відбуваються, на основі кількісних критеріїв. 
Зокрема, він має ґрунтуватися на процедурах встановлення відповідності 
фактичних показників міцності, жорсткості та стійкості конструктивних 
елементів чинним нормативним вимогам. Проблема захисту будівель і споруд від 
несприятливих проявів нерівномірного осідання є складною та багатогранною і 
потребує глибокого розуміння причин виникнення деформацій, урахування 
ступеня відповідальності будівельного об’єкта, його конструктивних 
особливостей і основних параметрів. При цьому обсяги та доцільність заходів із 
захисту будівель і споруд у різних інженерно-геологічних умовах можуть істотно 
відрізнятися. В окремих випадках виконання таких заходів є технічно або 
економічно недоцільним, тоді як в інших їхня вартість може перевищувати десять 
відсотків кошторисної вартості об’єкта, що проектується або експлуатується.
6
Таким чином, проблема захисту будівель і споруд від нерівномірного осідання 
має не лише технічний та інженерно-геологічний, але й вагомий економічний 
аспект. Для будівель і споруд, які перебувають у зоні ризику пошкоджень 
унаслідок зовнішніх впливів, контроль технічного стану несучих конструкцій 
повинен здійснюватися протягом усього періоду можливого прояву 
деформаційного впливу, що відображено в низці нормативних документів, які 
регламентують будівництво та експлуатацію об’єктів, зокрема у великих містах. 
Водночас на сьогодні відсутня єдина, рекомендована нормативами методика, яка 
б дозволяла ефективно запобігати виникненню аварійних ситуацій на територіях 
зі складними інженерно-геологічними умовами. Одним із ключових завдань, що 
постає перед проектувальниками та інженерами під час оцінювання таких 
об’єктів, є визначення причин деформацій, їхніх кількісних характеристик, а 
також можливості подальшої безпечної експлуатації будівель і споруд. 
Наднормативні осідання, які виникають на різних етапах життєвого циклу 
будівель, зумовлюють необхідність удосконалення відомих і розроблення нових 
конструктивних рішень, а також поглибленого вивчення напружено- 
деформованого стану будівель і споруд за умов нерівномірного осідання. Це, у 
свою чергу, потребує їх обґрунтування та апробації шляхом проведення 
експериментально-теоретичних досліджень із використанням просторових 
розрахункових моделей.
Метою кваліфікаційної роботи магістра є обґрунтування технології 
вирівнювання по вертикалі будівель і споруд, що отримали нерівномірне 
осідання в складних умовах та дослідження сучасних пристроїв та конструкцій із 
змінними параметрами для виправлення виниклого геометричного положення 
будівель та споруд та запобігання його виникнення, що базуються на принципі 
регулювання геометричного положення конструкцій будівель і споруд.
7
Завдання дослідження
1. Виконати аналіз історичних аспектів за тематикою кваліфікаційної роботи 
магістра, узагальнити основні наукові відомості щодо причин виникнення 
та закономірностей розвитку нерівномірного осідання фундаментів, а 
також систематизувати види пошкоджень будівель і споруд, що виникають 
унаслідок деформацій ґрунтових основ.
2. Дослідити сучасні технології вирівнювання по вертикалі будівель і споруд, 
розташованих на територіях зі складними інженерно-геологічними 
умовами, а також проаналізувати конструктивне рішення пристрою змінної 
висоти, призначеного для регулювання просторового положення будівель і 
споруд.
3. Обґрунтувати деформативні та міцнісні характеристики матеріалу, що 
застосовується для заповнення пристрою вирівнювання, з дослідженням 
впливу його геометричних параметрів на процес вертикального 
вирівнювання будівель і споруд.
4. Проаналізувати результати експериментальних досліджень, виконаних 
вітчизняними та зарубіжними науковцями, за різних режимів 
навантаження та проектних значень зміни висоти пристрою регулювання.
5. Дослідити розрахункові моделі каркасних будівель на пружній основі з 
урахуванням конструкцій змінної висоти в процесі виконання розрахунків 
та обґрунтувати за допомогою чисельних досліджень технологічні схеми 
вирівнювання будівель і споруд, що зазнали нерівномірного осідання в 
складних умовах, із визначенням ефективності їх застосування.
Об’єкт дослідження: Технології вертикального вирівнювання будівель і споруд, 
що зазнали нерівномірного осідання в складних інженерно-геологічних умовах.
8
Предмет дослідження: Технології захисту будівель і споруд, засновані на 
принципі збереження проектного положення конструкцій шляхом опускання 
менш осілої частини будівлі.
Методика дослідження: Для досягнення поставлених у роботі завдань 
використано комплекс теоретичних та чисельних методів дослідження, зокрема: 
- аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень відомих 
науковців щодо технологій та пристроїв регулювання просторового положення 
будівель при деформації ґрунтової основи на модельних зразках; 
- чисельні методи розрахунку для визначення напружено-деформованого стану 
конструкцій і основи досліджуваних каркасних будівель із використанням 
сучасних програмних комплексів.
Практична новизна: Узагальнено сучасні наукові відомості щодо причин 
виникнення та розвитку нерівномірного осідання фундаментів, а також 
систематизовано види пошкоджень будівель і споруд, що виникають унаслідок 
деформації ґрунтової основи. Обґрунтовано технічні параметри пристрою для 
вертикального вирівнювання каркасних будівель і споруд методом опускання їх 
окремих частин, зокрема параметри конічної основи штампа та спосіб 
регулювання висоти отвору для виходу сипкого матеріалу шляхом обертання 
коаксіальних труб із різноспрямованими прорізами на бічних поверхнях. 
Проаналізовано розрахункові моделі багатоповерхових каркасних будівель і 
споруд із конструктивними заходами захисту від наднормативних геометричних 
відхилень, які враховують взаємодію споруди з деформованою основою та змінні 
в процесі розрахунку геометричні параметри фундаментних конструкцій. 
Виконано аналіз визначення напружено-деформованого стану елементів 
каркасної будівлі на плитному фундаменті при регулюванні її вертикального 
положення в просторі, зокрема з урахуванням правил формування технологічних 
поєднань навантажень, що включають впливи у вигляді укорочення елементів,
9
які моделюють роботу пристроїв для виправлення геометричного положення 
будівлі.
Практичне значення отриманих результатів: проаналізовані в роботі 
конструктивні рішення будівель і споруд, що ґрунтуються на регулюванні 
просторового геометричного положення конструкцій при деформаціях ґрунтової 
основи, можуть бути використані як науково-технічна основа для розроблення 
вдосконаленого регульованого фундаменту — спеціального пристрою, 
призначеного для освоєння територій зі складними інженерно-геологічними 
умовами. Результати досліджень, пов’язані із застосуванням розроблюваного 
пристрою для будівель і споруд, що зводяться або експлуатуються на 
будівельних майданчиках зі складними умовами, дають змогу вдосконалити та 
оптимізувати конструктивні заходи з вирівнювання будівель у разі виникнення 
наднормативних осідань, що, у свою чергу, сприятиме зменшенню витрат на 
заходи захисту та підвищенню економічної ефективності будівництва.
Структура і обсяг. Кваліфікаційна робота магістра складається зі вступу, п'яти 
розділів, висновків.
10
РОЗДІЛ 1. ІСТОРІЧШ АСПЕКТИ ПРОБЛЕМИ В ТЕХНОЛОГІЯХ 
ВИРІВНЮВАННЯ ПО ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД, ЩО 
ОТРИМАЛИ НЕРІВНОМІРНЕ ОСІДАННЯ В СКЛАДНИХ УМОВАХ
1.1 . Особливості проектування будівель і споруд в складних умовах та 
причини виникнення нерівномірних деформацій
У практиці будівництва однією з найбільш складних і відповідальних задач 
є зведення та експлуатація фундаментів будівель і споруд у складних інженерно- 
геологічних умовах. Останніми роками спостерігається значне зростання обсягів 
ремонтно-відновлювальних робіт житлового фонду, збудованого у 60-70-х роках 
XX століття. З урахуванням того, що значна частина території України 
характеризується складними інженерно-геологічними умовами, будівлі, зведені 
на таких ґрунтах, зазнають різноманітних деформацій, які з часом можуть 
набувати небезпечного характеру.
Одним із ключових завдань, що постає перед проектувальниками та 
фахівцями з технічного обстеження таких об’єктів, є встановлення причин 
виникнення деформацій, визначення їх кількісних параметрів, а також 
розроблення, за необхідності, комплексу технічних заходів щодо їх усунення або 
обмеження подальшого розвитку. Питання розрахунку будівель і споруд у 
складних інженерно-геологічних умовах детально розглянуті в працях 
вітчизняних і зарубіжних науковців [1, 2, 15-17, 27-29, 33, 34, 36, 41—47, 50-59, 
62, 72-81, 83-87, 98-100, 110-113]. Водночас, попри масштабність і складність 
проблеми виникнення наднормативних кренів будівель, вона й досі не отримала 
належної уваги як у минулі роки, так і на сучасному етапі.
Практика свідчить, що в окремих випадках відхилення будівель від 
вертикалі може досягати 1 м замість допустимих 15 см, а відносні осідання — до 
40 см при нормативному значенні 10 см. За таких умов рівень деформацій стає 
критичним і створює реальну загрозу безпеці проживання людей. Саме тоді 
фахівці змушені в терміновому порядку розробляти рекомендації щодо ліквідації 
передаварійних і аварійних станів, які можуть включати конструктивне 
11
підсилення, закріплення ґрунтової основи, вирівнювання будівлі або комплексне 
застосування зазначених заходів. В окремих випадках єдиним можливим 
рішенням залишається повний демонтаж об’єкта. За будь-якого сценарію 
найбільш уразливою стороною залишаються мешканці таких будівель [33].
Показовим прикладом є аварійна ситуація, що виникла у 1985 році в місті 
Краматорську Донецької області, де внаслідок аварійного замочування ґрунтів 
два житлові будинки Новокраматорського машинобудівного заводу, з’єднані між 
собою деформаційним швом у формі літери «Г», нахилилися назустріч один 
одному. У результаті зустрічних кренів деформаційний шов шириною 250 мм 
повністю замкнувся, що призвело до взаємного тиску будівель і подальших 
деформацій несучих конструкцій. Через затримку з залученням спеціалізованої 
організації будівлі перейшли в аварійний стан, мешканців було відселено, а самі 
споруди згодом демонтовано [47].
Сучасні високі темпи будівництва, а також постійне зростання кількості 
висотних будівель, зумовлюють дефіцит територій, придатних для забудови за 
сприятливих умов. У зв’язку з цим усе більшого значення набуває проблема 
зведення та надійної експлуатації будівель і споруд у складних інженерно- 
геологічних умовах, зокрема на підроблюваних територіях. Якщо в процесі 
експлуатації споруди її ґрунтова основа зазнає не лише осідань, а й інших видів 
деформацій — підйомів, горизонтальних переміщень або провалів, — така 
споруда вважається такою, що експлуатується в складних інженерно-геологічних 
умовах [4, 18, 37].
До таких умов належать просадочні лесові, заторфовані, набухаючі, засолені 
та неоднорідні ґрунти, слабкі водонасичені глинисті ґрунти, закарстовані, зсувні 
та підроблювані території'. Крім того, до складних умов відносять ґрунти, для 
яких характерні коливання рівнів ґрунтових і поверхневих вод, а також розвиток 
суфозійних процесів [13].
Також будівлі і споруди зазнають серйозну деформацію основи при 
сейсмічній дії'. Для відновлення експлуатаційної придатності таких будівель
12
розроблено досить багато методів [70,114-116]. Рівномірні деформації основи, в 
цілому, не знижують міцності і стійкості конструкцій самої споруди, вони 
розвиваються протягом досить великих тимчасових інтервалів і, в основному, 
впливають на стан інженерних мереж і комунікацій, що зв'язують об'єкт з 
навколишньою інфраструктурою. Для будівлі найбільш небезпечними є 
нерівномірні деформації основи. Основні причини нерівномірних деформацій 
будівель можна розділити на наступні групи [40,41,94,108]: - різна стисливість 
ґрунтів через їх неоднорідність, присутність включень інших ґрунтів, прошарку, 
лінз, нерівномірного ущільнення ґрунтів, виклинювання і косошарове залягання 
окремих шарів і інш.; - нерівномірне замочування ґрунтів (особливо для 
просадних або набухаючих ґрунтів); - відмінність в деформаціях основи в межах 
і за межами фундаменту будівлі; - відмінність тисків по підошві окремих 
фундаментів, їх глибини закладення і розмірів; - відмінність навантажень на 
підлогу промислових об'єктів, завантаження території, що примикає до будівлі;
- помилки при виконанні інженерно-геологічних вишукувань і розробці 
проекту; - порушення технології будівництва, яке може призвести до погіршення 
властивостей ґрунтів основи; - порушення режиму експлуатації споруди; - зміна 
гідрогеологічних умов будівельного майданчика; - динамічний вплив (удар 
молота, транспорт). В результаті цих нерівномірних деформацій земної поверхні 
(відповідно до малюнку 1.1) відбувається крен, прогин, вигин, крутіння і інш.
При розвитку прогину (мал. 1.1, а) найбільш небезпечна зона розтягування 
знаходиться в нижній частині будівлі або споруди, при вигині (мал. 1.1, ж) - у 
верхній. Залежно від ступеня нерівномірності деформування ґрунтів основи і 
жорсткості будівлі або споруди в його конструкціях розвиваються розтягувальні 
зусилля. При більшій жорсткості будівлі або споруди на одних і тих же ґрунтах 
ці зусилля більші. Залежно від цих чинників зменшується або збільшується 
величина прогину або вигину. Відносний прогин або вигин розглядається як 
відношення стріли прогину або вигину до довжини однозначно згинальної 
ділянки будівлі або споруди за формулою 1.1.
13
Мал. 1.1. - Види нерівномірних деформацій: а - прогин; б, е - перекіс в, д - крен; 
г - скручування; ж - вигин.
І7Ь = (282-8і-83)/2Ь (1.1)
де: 8і і 8з - осідання решт розглянутої ділянки однозначного викривлення; 
82 - найбільше або найменше осідання на тій же ділянці; Ь - відстань між точками 
з осадками 81 і 8з. Перекіс будівель і споруд (мал. 1.1, б, е) характерний при 
різкому прояві нерівномірності осідань на ділянці найбільшої протяжності при 
збереженні відносної вертикальності несучих конструкцій (перекоси в каркасних 
будівлях і ін.). Крен фундаменту будівлі або споруди (мал. 1.1, в, д) являє собою 
поворот відносно горизонтальної осі і проявляється при несиметричному 
завантаженні основи або несиметричному нашаруванні ґрунтів відносно 
вертикальної осі. Ступінь впливу деформацій земної поверхні на спорудження 
залежить від багатьох факторів, таких як тип споруди, конструктивна схема, 
просторова жорсткість і ін. За ступенем чутливості конструкцій до нерівномірних 
деформацій основи споруди умовно діляться на три основні групи, що 
визначають характер спільної роботи системи "основи- фундаменти - верхня 
будова" (мал. 1.2). Креном будівлі називають нерівномірну деформацію будь-якої 
будівельної споруди, в результаті якої відбулося відхилення осі симетрії будівлі 
від вертикалі. Крен фундаментів розглядається як відношення різниці осідань 
крайніх точок фундаменту до ширини або довжині фундаментів. Він характерний 
для жорстких фундаментів будівель і споруд, при цьому осадки основи в будь-
14
якому напрямку змінюються за лінійним законом. Найчастіше крен виникає в 
багатоповерхових будівлях. Швидкість його розвитку різна, але, як правило, 
проблема виявляється вже в процесі будівництва [5]. В історії є приклади 
тривалого креноутворення, найбільш яскравим його прикладом є знаменита 
Пізанська вежа (мал. 1.3).
Мал. 1.2. Класифікація споруд в залежності від чутливості їх конструкцій до 
нерівномірних деформацій основи.
Крен становить найбільшу небезпеку для високих споруд - димових труб, 
вузьких будівель підвищеної поверховості та ін. Для них крен призводить до 
появи додаткового моменту, що сприяє збільшенню крену, і може привести до 
втрати стійкості основи. Внаслідок нерівномірного осідання крен можуть 
отримувати також колони і стіни, не пов'язані жорстко з іншими конструкціями 
(мал. 1.1, д). Якщо виключено їх переміщення в горизонтальному напрямку, то в 
процесі розвитку нерівномірного осідання під окремими фундаментами в 
колонах, перекриттях виникають додаткові зусилля. Вони визначаються на 
основі розгляду спільної роботи конструкцій споруди і ґрунтів основи. Кручення 
має місце при неоднаковому крені будівлі або споруди по довжині, при цьому 
відбувається розвиток крену в двох перетинах споруди в різні боки (мал. 1.1, г).
15
Мал. 1.3. Пізанська вежа - найбільш відомий об'єкт тривалого креноутворення.
Просторову роботу будівлі або споруди характеризує відносний кут 
закручування (мал. 1.4). При крученні додаткові зусилля розвиваються в 
елементах стін і конструкціях перекриття, останні можуть згинатися в 
горизонтальному напрямку. Горизонтальні переміщення фундаментів будівель і 
споруд мають місце при дії на основи горизонтальних навантажень (наприклад, 
у розпірних конструкцій). Вони можливі також при виконанні підземних виробок 
і розвитку зсувів укосів. Спільна деформація основи і споруди характеризується 
також кривизною згинальної ділянки споруди (мал. 1.5). Вона являє собою 
величину, зворотну радіусу викривлення, і характеризує 
напруженодеформований стан (НДС) щодо жорстких протяжних споруд. 
Кривизна згинальної ділянки використовується для встановлення граничних 
деформацій земної поверхні по міцності і тріщиностійкості конструкцій будівель 
і споруд [34].
Мал. 1.4. - Схема осідань основи при крученні 8 = фі + Рг) / Ь.
16
Мал. 1.5. - Схема прогину (вигину) споруди: її / Іл - відносний прогин на ділянці 
Ьі, ґг/Ьг - відносний вигин на ділянці Ьг, р = 1/И - найбільша кривизна.
При нерівномірних кінцевих осіданнях і нерівномірному загасанні їх в часі 
основи опускаються на різну величину, викликаючи перерозподіл зусиль і 
деформацій в надземних частинах будівель і споруд. Нерівномірні осідання 
погіршують експлуатацію споруд, викликають перенапруження в окремих 
конструкціях і елементах і їх пошкодження. Тому граничні величини 
нерівномірних осідань встановлюються не тільки за експлуатаційними 
(фізіологічними, естетикопсихологічними) і технологічними вимогами, але і по 
міцності, деформації (тріщиностійкості) і стійкості споруд. Крім цього, люди в 
житлових деформованих будинках мають значний дискомфорт від перекошених 
дверних і віконних прорізів, перекошених підлог і меблів (мал. 1.6-1.8). Також 
можливе виникнення додаткових кренів і зусиль в конструкції, пов'язаних з 
креном від наявності таких сучасних проблем як вібрація від будівництва і 
експлуатації підземних і надземних комунікацій і споруд. З розвитком сучасних 
міст, активно розвивається транспортна галузь: залізничні, автомобільні, 
трамвайні комунікації, метрополітени і т.п. Потужність і поєднання типів 
транспорту в значній мірі визначається географією та рельєфом міст, 
чисельністю населення, історією їх розвитку, економіко-соціальними 
тенденціями розвитку регіону і країни. Всі види транспорту передають 
коливальну енергію на розташовані поблизу транспортних шляхів будівлі і 
споруди. Отримана вібрація негативно позначається на технічному стані будівель 
і санітарно-гігієнічних умовах експлуатації. Крім того, вібрація здатна змінювати 
властивості ґрунтів, на якій розташована будівля. Наприклад, виникає локальне 
ущільнення ґрунту.
17
Через нерівномірне осідання ґрунтової основи, воно здатне привести до 
серйозних пошкоджень конструкції. Ущільнення ґрунту може статися навіть при 
малому рівні вібрації, в тому випадку якщо вона довготривала. Ще одним 
прикладом зміни властивостей є розжиження ґрунту. Воно вважається більш 
небезпечним, так як розріджений ґрунт під вібраційним впливом втрачає несучу
здатність [68].
Мал. 1.6. Пошкодження будівель в м. Львові.
Мал. 1.7. Креноутворення в м. Сантос, Бразилія.
Мал. 1.8. Багатоповерховий житловий будинок в м. Маріуполь.
Ще однією проблемою є деформації будівель і споруд, виникнення яких
пов'язане з землетрусами. Землетрус може викликати нерівномірне осідання
ґрунту основи, і тоді будівля отримає додаткові руйнування. Навіть при
18
порівняно слабких землетрусах в споруді неминуче виникають тріщини. При 
цьому найсильніші пошкодження конструкцій будівлі відбуваються в зонах 
осадки. Наслідки сильних землетрусів свідчать, що землетруси завдають досить 
значний економічний і соціальний збиток [5]. У зв'язку з усіма вищевикладеними 
причинами, конструювання, технологія і розрахунок регульованих фундаментів, 
для виправлення кренів висотних будівель, є важливим, але маловивченим 
питанням. А вдосконалення технологій пристрою регульованих фундаментів з 
метою оптимізації їх параметрів, розробка нових високоякісних і економічно 
ефективних конструкцій при найнесприятливіших інженерно-геологічних 
умовах, є найважливішим завданням сучасного будівництва [33,39,41,89].
1.2 Напружено-деформований стан елементів каркасного будинку та його 
вплив на розрахункові моделі ґрунтової основи
В механіці ґрунтів в залежності від характеру досліджуваних задач 
використовуються різні розрахункові моделі ґрунту. Для обліку зміни опору 
ґрунтових основ у міру деформування використовують розрахункові моделі, 
схематизують залежність між навантаженням на ґрунтовий масив і його осадкою. 
Моделі ґрунтової основи являють собою теоретичні узагальнення 
експериментальних даних про закономірності деформування основи під 
навантаженням. Класифікуються за такими ознаками: по обліку розподільних 
властивостей основи; з обліку необоротних деформацій; по виду залежностей між 
напруженнями і деформаціями. При цьому доводиться, природно, вдаватися до 
відомого спрощення властивостей і розглядати ідеалізовані середовища, що 
володіють лише деякими вирішальними для даного кола завдань властивостями 
реальних ґрунтів. Ґрунтові масиви будівельних майданчиків складаються з 
різнорідних ґрунтів, які істотно відрізняються за своїми розподільними 
властивостями. За ознакою врахування розподільних властивостей розрізняють 
модель загальних деформацій (прикладом служить модель лінійно- 
деформованого півпростору) і модель місцевих деформацій (прикладом служить 
модель Вінклера і Фусса): 1) Модель місцевих деформацій Фусса або Вінклера
19
(або гіпотеза коефіцієнта постелі) була запропонована ще в 1868 році, 
застосовується для ґрунтів, які практично не мають розподільних властивостей, 
наприклад для пісків. Ця модель добре відображає роботу конструкції, якщо 
основа представлена незв'язними ґрунтами. Тому найчастіше цей метод 
використовують при будівництві на слабких ґрунтах або в разі малої потужності 
шару стискаючого ґрунту. Ґрунт розглядається як система, що спирається на 
жорстку горизонтальну основу і не пов'язаних між собою пружин, стиснення 
яких зростає прямопропорційно прикладеному навантаженню. Коефіцієнт 
пропорційності між навантаженням і деформацією називається коефіцієнтом 
постелі. Відмінність моделі Фусса від моделі Вінклера полягає в тому, що при 
розвантаженні досягнуте на даному рівні навантаження осідання є незворотним. 
Це відповідає безкінечному коефіцієнту постелі при розвантаженні [40,47,84,85]. 
Схематично гіпотеза Фусса-Вінклера показана на мал. 1.9. У механікі ґрунтів 
вона носить назву модель Фусса-Вінклера.
їм
—і І N>0
>*ТГ7ГГТГ ИЛИ { ПГ Э 1
І г
Мал. 1.9. Схема розрахункової моделі Фусса-Вінклера.
Таким чином опір ґрунту розвивається тільки безпосередньо під 
навантаженням і в цьому опорі не бере участь ґрунт, який розташований за 
межами фундаменту, який не відчуває осадку. 2) Модель лінійно-деформованого 
півпростору (застосовується для ґрунтів з істотними розподільними 
властивостями, характерними для пружних тіл такі як щільні глини). Ґрунт 
розглядається як суцільне однорідне лінійно-деформоване тіло, яке нескінченно 
тягнеться вглиб і в сторони і обмежене зверху площиною. В цьому випадку в опір 
зовнішньому навантаженню втягується весь полупростір, і тому осідання 
поверхні півпростору відбувається також і збоку від місця прикладання 
навантаження, поширюючись на порівняно великі відстані (мал. 1.10).
20
Мал. 1.10. Схема моделі лінійно-деформованого півпростору.
У розрахунок вводиться не полупростір, а лише його верхній шар, нижче якого 
ґрунт вважається нестисливим (мал. 1.11). Така модель основи застосовується в 
тих випадках, коли на певній глибині залягають скельні породи або 
слабостискувальні ґрунти. Практично за таку основу можна застосовувати ґрунти 
з модулем деформації Е >100 МПа.
Мал. 1.11. Схема моделі лінійно-деформованого шару кінцевої товщини.
Властивості реальних ґрунтів по їх розподільчій здатності знаходяться в 
діапазоні між попередніми моделями і описуються моделлю узагальненого 
коефіцієнта жорсткості професора Клепікова. 3) Модель узагальненого 
коефіцієнта жорсткості основи професора Клепікова. Передбачає наявність у 
ґрунті розподільних властивостей при пружному деформуванні та відсутності 
таких властивостей при пластичній деформації. Сумарне осідання основи 
представляється сумою пружного і пластичного осідання. Пружне осідання 
обчислюється з урахуванням розподільних властивостей ґрунту, пластичне 
осідання відповідає моделі місцевих деформацій. Зазначені осадки 
обчислюються методом пошарового підсумовування відповідно до норм на 
проектування основ [40, 58, 69,108].
21
1.3 Сучасний стан технологій підвищення експлуатаційної надійності 
будівель
Фундамент визначає міцність і надійність всієї споруди. Від правильного і 
раціонального його виконання багато в чому залежать економічність, 
трудомісткість і темпи зведення будівлі. Особливої уваги при будівництві 
висотних будівель вимагають до себе фундаменти, на які спирається каркас. Це 
пов'язано з конструктивними характеристиками каркасних будинків, чутливих до 
нерівномірних осідань окремих колон, крену і т. інїш. [107], а також взаємодією 
і спільною роботою системи "каркас - фундамент - ґрунтова основа". При 
проектуванні будинків і споруд в складних інженерно-геологічних умовах 
необхідно забезпечувати необхідні експлуатаційні якості і довговічність 
конструкції. Щоб забезпечити ці якості, необхідно створити надійну основу, яка 
не буде допускати наднормативних деформацій, або застосовувати 
конструктивні елементи, для яких можливо сприйняття подібних деформацій. 
Для того, щоб захистити будівлі і споруди від впливу нерівномірних деформацій 
основи, або звести ці дії до мінімальних, необхідно створити надійну основу. 
Основними заходами для створення твердого ґрунту є такі заходи 
[5,26,38,48,106]: - ущільнення ґрунтів основи трамбуванням, пристрій ґрунтових 
паль і армоелементів, попереднє замочування, поверхневе ущільнення 
віброкотками і ін.; - пристрій регульованих фундаментів, для підйому і 
вирівнювання будівлі, або для його опускання, у випадках, коли нерівномірні 
деформації основи перевищують гранично допустимі. Регульовані фундаменти 
можуть проектуватися для пристрою домкратних систем, для пристрою 
термопластичних опор, для влаштування конструкцій з сипучим матеріалом, або 
інших систем, які передбачають можливість коригувати вертикальне положення 
будівлі в просторі [6-11, 28,29,31-33, 41-47,55-56,71- 81,111-112]; - водозахисні 
заходи, які включають в себе розробку генплану, планування території, 
влаштування вимощення, розміщення водовідводів. Цей спосіб збільшує вартість 
будівництва, проте його рекомендується застосовувати в цілях зниження 
просадок ґрунтів незалежно від типу просідання; - заходи по створенню під 
будівлею нетехногенних структур з метою усунення просадних властивостей і 
підвищення фізико-механічних характеристик ґрунтів. Цей метод 
характеризується можливістю використовувати місцевий ґрунт для закріплення 
масиву, низькою трудомісткістю, незначною тривалістю робіт, технологічністю, 
а також порівняно невисокою вартістю робіт; - сталеві вдавлювані палі і 
буроін'єкційні палі. Застосовуються для виконання робіт новостворюваної 
22
основи під існуючою будівлею. Характеризується тим, що навантаження від 
будівлі передається на більш міцні шари ґрунту. Дані методи зарекомендували 
себе високою надійністю, можливістю виконання робіт без відселення 
мешканців. До недоліків цих методів слід віднести високу вартість і порівняно 
велику тривалість робіт; - ґрунтоцементні палі. Роботи можуть проводитися в 
самих обмежених умовах підземної виробки або міської забудови. 
Універсальність методу полягає в застосовності для ґрунтів різного складу, тобто 
він однаково гарний і для галечника, і для глини, тільки склад і щільність 
цементного розчину буде дещо відрізнятися. Метод дозволяє здійснювати 
прорізку ґрунту на велику глибину. Вартість таких робіт висока через дорогого 
обладнання та витрати цементу. Для того, щоб визначити який саме тип заходу 
підходить для усунення деформації необхідно провести техніко-економічний 
аналіз, при якому необхідно враховувати особливості конструкції будівлі, 
інженерно-геологічні умови будівельного майданчика. При будівництві 
фундаментів висотних будівель виникає ряд особливостей, які необхідно 
враховувати при проектуванні: - діючі норми поширюються на розрахунок 
несучої здатності палі довжиною 35 м (опір по нижньому кінцю палі) і 40 м (опір 
по боковій поверхні), що може бути недостатньо для проектування фундаментів 
висотних будівель; - збільшення розмірів (глибини і ширини) стиснутої товщини 
в масиві ґрунту призводить до збільшення термінів завершення консолідації 
ґрунту і розтягування процесу осадки у часі. - особливості інженерно-геологічних 
вишукувань; - тиск по підошві фундаменту висотних будівель може бути на 
порядок вище, ніж для будівель заввишки до 75 м, що вимагає проведення 
спеціальних лабораторних і польових досліджень; - великі навантаження (1-2 
МПа), що передаються на ґрунт основи, вимагають враховувати в розрахунку 
міцності і деформаційні характеристики скельних і нескельних ґрунтів з Е>100 
МПа, що вважаються відповідно до діючих норм нестисливими, а також 
збільшену зону розподілу напружень в ґрунті в плані і по глибині, що може 
привести до збільшення шарів ґрунту, що сприймають навантаження від 
фундаменту. Особливо сильно це може позначитися при нерівномірному 
заляганні шарів; - в разі якщо основа складена ґрунтами з різними коефіцієнтами 
консолідації (як первинної, так і вторинної), необхідно враховувати можливість 
виникнення в результаті такого нерівномірного НДС ґрунту (на проміжній стадії 
консолідації) неодночасного закінчення процесів консолідації різних видів 
ґрунтів і, як наслідок цього, виникнення крену будівлі, що перевищує граничні 
значення; - висока чутливість до крену; - збільшення розмірів деформуємої 
області ґрунту основи призводить до надання більшого впливу на навколишні 
будівлі та споруди, в тому числі на водонесучі комунікації, що необхідно 
23
враховувати в розрахунку фундаментів [108]. На малюнку 1.12 показані основні 
типи фундаментів висотних будівель. В якості фундаментів на природній основі, 
беручи до уваги високі навантаження, що передаються на фундамент, в 
основному застосовується суцільна монолітна залізобетонна плита. При 
відповідному розрахунковому обґрунтуванні не виключено застосування 
стовпчастих або стрічкових фундаментів.
Мал. 1.12. Класифікаційна блок-схема фундаментів висотних будівель.
1.4 . Аналіз методів вирівнювання каркасних будівель і споруд
В даний час в практиці відновлення надійності накренився будівель 
застосовують такі методи коригування, які (відповідно до мал. 1.13) можна 
розділити на дві групи.
Перша група включає в себе заходи, метою яких створити додаткові 
деформації основи під частиною будівлі, що не зазнає на собі наднормативні 
крени з метою забезпечення повороту будівлі з протилежного боку крену, а також 
різні методи посилення основи під осівшою частиною будівлі. Основними 
методами є регульоване замочування основи фундаменту, вирівнювання будівлі 
за допомогою вибурювання ґрунту під підошвою фундаменту і посилення 
міцністних і деформаційних характеристик фундаменту (силікатизація, 
цементація, і ін.).
24
Мал. 1.13. Способи коригування геометричного положення будівлі в просторі.
Також може застосовуватися комбінація з цих методів [36,89]. Метод 
замочування застосовується набагато рідше, хоча в певних умовах він може бути 
найбільш економічним, і особливо ефективним зі збільшенням потужності 
просідаючої товщі. Обмежене його застосування пояснюється небезпекою 
замочування ґрунтів основ суміжних об'єктів. Метод вирівнювання будівель 
замочуванням ґрунтів обумовлює досить велику витрату води, при цьому 
застосовують різні технології. В одних випадках замочування просідаючої товщі 
здійснюють через котловани, які відриті з протилежного боку крену, в інших - 
влаштовують дренажну систему шляхом буріння свердловин і заповнення їх 
порожнин дренажним матеріалом, через який замочують просадні ґрунти [99]. В 
обох випадках замочується вся просідаюча товща, що зумовлює істотне 
розтікання води в сторони [106]. Спосіб замочування ґрунтової основи 
фундаментів споруд є найменш контрольованим і непередбачуваним внаслідок 
зміни характеристик ґрунтів основи в обширній області під фундаментом, що 
вимагає встановлення жорсткого моніторингу в процесі виробництва робіт. 
Метод вибурювання ґрунту з-під підошви фундаментів - більш перспективний 
напрямок при коригуванні просторового положення будівель і споруд, так як 
25
зміна характеристик ґрунтів в основі відбувається лише в місці видалення ґрунту. 
Методика вирівнювання будівель і споруд вибурюванням ґрунту заснована на 
створенні додаткових деформацій ослабленого перфорованого шару в 
ґрунтовому масиві, створеного бурінням горизонтальних свердловин під 
фундаментом будівлі. Розвиток деформацій отримує місце в разі руйнування 
основи, тобто виникнення областей пластичної течії ґрунту навколо 
циліндричних порожнин. Визначальним фактором при цьому є контактні 
напруги по підошві фундаменту будівлі, від яких будуть залежати основні 
параметри буріння: глибина закладення свердловин від підошви фундаменту, 
крок і діаметр свердловин [94-97]. Методи, які впливають на основу мають 
позитивні і негативні положення. Позитивний момент полягає в тому, що 
вирівнювання будівлі відбувається спільно з фундаментом і без зміни в 
конструкції фундаментно-підвальної частини будівлі. Негативні моменти: 
непередбачуваність поведінки будівлі при вирівнюванні; досить великий обсяг 
земляних робіт; відсутність можливості виконання проектних вимог по 
планувальним позначкам; досить скрутний процес вирівнювання будівлі на 
пальовому фундаменті. Жоден з цих методів не є універсальним. Застосування 
кожного із способів в конкретному випадку повинно мати як економічне 
обґрунтування, так і обґрунтування з точки зору простоти і безпеки технології 
виробництва робіт. Друга група заходів передбачає зміни в 
фундаментнопідвальній частині і розміщення в ній спеціальних пристроїв для 
коригування будівлі по вертикалі для експлуатованих і знову зведених будинків. 
До таких пристроїв можна віднести: пісочниці, термопластичні елементи, 
домкрати і інш. [15,31-33,41-47,105,107]. Сучасні методи виправлення кренів 
споруди дозволяють виробляти не тільки підйом і вирівнювання будівлі, а також 
їх пересувку і реконструкцію зі збільшенням висоти для виготовлення і 
розміщення обладнання.
Аварії і деформації будівель і споруд відбуваються не стільки через 
помилки в інженерних розрахунках надземних конструкцій, скільки через 
прорахунки, що допускаються при проектуванні (близько 18%) і зведенні 
(близько 80%) фундаментів. Ще в 1570 р видатний італійський архітектор і 
26
будівельник Палладіо в трактаті «Чотири книги про архітектуру» писав, що «... з 
помилок, що відбуваються на будівництві, найбільш пагубні ті, які стосуються 
фундаменту, так як вони тягнуть за собою загибель всієї будівлі і виправляються 
з великими труднощами». За кордоном метод підйому і вирівнювання будівель і 
споруд з використанням гідравлічних домкратів застосовується з 1879 р, а в 
нашій країні він налічує понад 70 років. У рішенні проблеми коригування 
геометричного положення будівель і споруд в просторі важливою є розробка 
ефективних конструкцій регулювальних пристроїв, головною ланкою яких є 
силові виконавчі органи - компенсатори деформацій. У методі підйому (одному 
з найбільш апробованих) таким органом є плоский домкрат з листової сталі, який 
найбільш повно відповідає вимогам до виконавчих силових елементів. Даний 
метод характеризується високою точністю і можливістю контролю над 
розвитком зусиль і робочим ходом в домкратах при зміні положення в просторі 
будівлі в процесі його підйому. Контроль над процесом підйому будівлі ведеться 
за допомогою датчиків переміщень і зовнішньої тахеометричної зйомки з 
комп'ютерним супроводом [41- 47,67,89]. Однак слід зазначити, що недоліком 
методу є внесення суттєвих коригувань у фундаментно-підвальній частині 
споруди, такі як отвори під домкрати, пристрій розподільних поясів, штампів і ін. 
Такі зміни дозволяють перевести стандартні фундаменти в регульовані, які в 
свою чергу дозволяють коригувати вертикальне положення будівлі в просторі. 
Регульовані фундаменти можуть встановлюватися у будівлі, яка знову зводиться, 
а також в уже експлуатуємій будівлі, які мають понаднормативні деформації 
основи фундаменту. При влаштуванні регульованих фундаментів основною 
вимогою до конструкцій регульованих фундаментів є забезпечення цілісності 
внутрішньої геометрії будівлі на всіх етапах підйому і вирівнювання будівлі. 
Технологія пристрою регульованих фундаментів для експлуатованих будівель 
передбачає розміщення гідравлічних домкратів в підвальній частині будівлі. Для 
знову споруджуваного будинку, які проектуються на території зі складними 
умовами на будівельному майданчику, де рівень можливих деформацій може 
перевищити гранично допустимий, необхідно проектування регульованих 
фундаментів. Такі фундаменти дозволять в подальшому знизити не тільки 
27
вартість робіт з коригування вертикального положення будівлі в просторі, але 
також і терміни щодо усунення наднормативних кренів. Це допоможе швидко 
ліквідувати аварійну ситуацію. Забудова міст, прокладка водогінних комунікацій 
і, що найголовніше, технічна підтримка організаціями, компетентних в основах 
експлуатації, призвели до того, що в основі фундаментів почалися зміни. 
Причому, відсутність коштів на визначення кількісної і якісної зміни параметрів 
ґрунтів основи, як і відсутність коштів на своєчасну перекладку комунікацій і 
поточний ремонт, не дозволяє говорити про будь-який моніторинг навіть тих 
будівель, які визнані аварійними. Питання пристрою регульованих фундаментів 
залишається досить слабо розвиненим. Широке застосування конструкцій 
регульованих фундаментів в практиці будівництва стримує практично повна 
відсутність будь-яких досліджень в області ефективності застосовуваних 
конструкцій регульованих фундаментів експериментального будівництва в цій 
області. Це викликано слабкою експериментальною базою в області 
вирівнювання будівель і споруд, необхідністю вдосконалювати технології 
пристрою, методик розрахунку і проектування регульованих фундаментів. 
Необхідне проведення комплексних досліджень, спрямованих на вдосконалення 
конструкцій регульованих фундаментів і технологій по їх пристрою.
Висновки за розділом 1.
На основі проведеного аналітичного огляду можна зробити наступні висновки:
1. Основні причини нерівномірних деформацій будівель: різна стисливість 
ґрунтів через їх неоднорідності; нерівномірне замочування ґрунтів, відмінність в 
деформаціях ґрунтів основи; відмінність тисків по підошві окремих фундаментів, 
їх глибини закладення і розмірів; відмінність навантажень на підлогу 
промислових об'єктів, завантаження території, що примикає до будівлі; помилки 
при виконанні інженерно-геологічних вишукувань і розробці проекту; 
порушення технології будівництва; порушення режиму експлуатації споруди; 
зміна гідрогеологічних умов будівельного майданчика; динамічний вплив. В 
результаті цих нерівномірних деформацій земної поверхні відбувається крен, 
прогин, вигин, крутіння і ін. При нерівномірних кінцевих осадках і
28
нерівномірному загасанню їх в часі основи зазнають осідання на різну величину, 
викликаючи перерозподіл зусиль і деформацій в надземних частинах будівель і 
споруд. Нерівномірні осадки погіршують експлуатацію споруд, викликають 
перенапруження в окремих конструкціях і елементах та їх пошкодження.
2. Властивості реальних ґрунтів по їх розподільчій здатності знаходяться в 
діапазоні між моделлю Вінклера-Фусса і моделлю лінійно-деформованого 
півпростору і описуються моделлю узагальненого коефіцієнта жорсткості 
професора Клепікова.
3. Основними заходами для створення надійної основи є наступні заходи: 
ущільнення ґрунтів основи трамбуванням, пристрій ґрунтових паль і 
армоелементів, попереднє замочування, поверхневе ущільнення віброкотками і 
ін.; пристрій регульованих фундаментів, для підйому і вирівнювання будівлі, або 
для його опускання; водозахисні заходи; заходи щодо створення під будівлею 
геотехногенних структур; сталеві вдавлювані палі і буроін'єкційні палі; 
ґрунтоцементні палі.
4. Основними методами вирівнювання будівель і споруд є: впливи механічні та 
фізико-хімічні на ґрунти основи і конструктивні заходи (вирівнювання за 
допомогою термопластичних елементів, вирівнювання за допомогою пристрою з 
сипучим матеріалом, вирівнювання за допомогою домкратних систем)
5. В результаті аналізу існуючих методів вирівнювання геометричного 
положення будівлі в просторі уточнені завдання дослідження, а також виявлені 
основні чинники виникнення і розвитку нерівномірних деформацій земної 
поверхні.
29
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ ВИРІВНЮЮЧОГО ПРИСТРОЮ 
ТА КОНСТРУКЦІЇ ДЛЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРІВНЮВАННЯ ПО 
ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД В СКЛАДНИХ УМОВАХ
2.1 Технологічні параметри вирівнюючого пристрою для вирівнювання 
будівель і споруд
Метод коригування геометричного положення будівлі в просторі полягає у 
виправленні проектного положення конструкцій, які захищаються, що зазнають 
наднормативні деформації основи. Здійснення цього методу в каркасних 
будівлях передбачає розміщення спеціальних пристроїв, які розташовуються в 
фундаментно-підвальній частині будівлі і закладаються під кожну колону 
будівлі, що зводиться. Ці пристрої необхідно використовувати при необхідності 
здійснити вирівнювання будівлі або споруди. Пристрої для коригування 
геометричного положення будівлі з наднормативними деформаціями основи 
ефективно виконують свої функції на територіях, де можливо деформування 
основи під фундаментом декількох рядів поруч або іншим чином розташованих 
колон. Для використання пристрою повинна бути розроблена спеціальна 
конструкція фундаменту. Нижче описана конструкція фундаменту для 
каркасного будинку (малюнок 2.1).
Фундамент являє собою суцільну залізобетонну плиту (1) і систему перехресних 
балок - стінок (2), розділених по висоті технологічним простором для розміщення 
пристроїв для коригування геометричного положення будівлі (надалі пристрій).
Пристрій являє собою дві металеві труби: зовнішню і внутрішню, які мають 
пересічні під прямим кутом прорізи (малюнок 2.2). В експериментальному 
пристрої зазначена марка сталі відповідає вітчизняній сталі С275 (модуль 
деформації 210 ГПа, межа плинності 275 МПа). Між трубами наноситься 
графітове мастило. Внутрішня труба пристрою (6) встановлюється на 
циліндричний виступ плити фундаменту (3). У внутрішню трубу (5) засипається 
робоче тіло (7) у вигляді засипки з піску, який ущільнюється віброштампом.
ЗО
Висота робочого тіла (7) дорівнює максимальній величині вертикального 
коригування споруди, збільшеної на 10%. У верхню частину внутрішньої труби 
(5) над робочим тілом (7) встановлюються циліндричні елементи з 
трубобетонних елементів, які омонолічуються в систему перехресних балок. 
Колони каркаса монтуються на систему перехресних балок (2).
Мал. 2.1. Схема фундаменту з пристроєм для виправлення кренів споруд: 1 - 
фундаментна плита; 2 - система перехресних балок - стінок; 3 - циліндричний 
виступ з фундаментної плити; 4 - циліндричний елемент з трубобетону, забитий 
в перехресну систему балок - стінок; 5 - внутрішня труба пристрою; 6 - зовнішня 
труба пристрою; 7 - робоче тіло (пісок); Н - висота технічного підпілля; К - висота 
робочого тіла в пристрої; Ьк - зазор між пристроєм і низом системи перехресних 
балок.
31
Мал. 2.2. Конструкція зовнішніх оболонок розглянутого пристрою.
Зовнішня труба пристрою (6) має упори (ручки) для обертального зміщення 
труби. У початковому стані похилі прорізи в трубах не перетинаються і робоче 
тіло знаходиться в стані компресійного стиснення. Для здійснення вертикального 
переміщення верхньої частини фундаменту відкривається щілина в пристрої за 
рахунок обертання зовнішньої труби (6). При цьому розмір щілини повинен бути 
не менше 10x10 мм. Опускання верхньої частини фундаменту відбувається за 
рахунок висипання робочого тіла (піску) з пристрою.
Висота циліндричного елемента, закріпленого в перехресних балках (4), 
повинна забезпечувати зазор між низом балок і верхом внутрішньої труби, що 
дорівнює максимальній величині рихтування споруди, збільшеної на 10%. 
Закладення елементів (3) і (4) в труби пристрою повинні бути не менше 
внутрішнього діаметра труби. Креслення зовнішньої (6) і внутрішньої (5) труб 
виробу можна отримати на кресленнях (малюнки 2.3 і 2.4).
Мал. 2.3. Конструкція зовнішньої металевої оболонки пристрою: 1 - ширина 
прорізу; 5 - товщина труби; Ьп - довжина прорізи; йа - висота пристрою; йа - висота 
прорізу; йе - відстань від прорізи до низу труби; йрг - відстань від прорізи до верху 
труби; йа- діаметр зовнішньої труби.
32
Мал. 2.4. Конструкція внутрішньої металевої оболонки пристрою: і - ширина 
прорізу; 5 - товщина труби; Ьп - довжина прорізу; На - висота пристрою; Ьа - висота 
прорізу; Ие - відстань від прорізу до низу труби; Ьрг - відстань від прорізу до верху 
труби; Ьаех - діаметр внутрішньої труби.
В якості робочого тіла слід використовувати пісок сіяний невеликий з модулем 
крупності 1 мм і кутом внутрішнього тертя 35°.
Технологія вирівнювання будівлі передбачає наступні операції:
- складання деформованої схеми підстав колон будівлі;
- призначення проектної позначки підстав колон після коригування будівлі;
- обчислення розрахункових величин осідання колон для приведення будівлі в 
горизонтальне положення;
- виконання статичних розрахунків будівлі і призначення допустимих 
переміщень колон в процесі коригування положення будівлі;
- призначення за результатами розрахунку ступенів опускання колон в одній 
технологічній операції;
- установка вимірювальних приладів для контролю переміщення колон в процесі 
коригування будівлі;
- виконання серій технологічних операцій з коригування положення будівлі 
(малюнок 2.5).
33
Етап 1 Етап 2 Етап З
Вузол 1 
її. .Йі -2 . 1
Мал. 2.5. Використання пристрою для поетапного регулювання вертикального 
положення будівлі в просторі.
Поведінка робочого тіла під навантаженням і його витікання з отвору 
вимагає спеціального розгляду. Вважається що під великим тиском фракція піску 
і його вологість не має особливого впливу на працездатність пристрою, так як 
при стисненні ґрунту відбувається більш щільна упаковка частинок, а також їх 
деформація. При знятті навантаження з піску відбувається його розширення, що 
призводить до збільшення обсягу пір, яке, однак, виявляється меншим, ніж зміна 
обсягу при ущільненні ґрунту, внаслідок наявності значної залишкової 
деформації ґрунту. Склад піску, призначеного для будівництва, підрозділяється 
на: гранулометричний (зерновий); хімічний; мінеральний. Гранулометричний 
(зерновий) характеризує наявність зерен з різною величиною крупності. Для його 
визначення необхідно просіювати пісок через сито з отворами певного розміру 
(від 0,16 мм до 10 мм).
34
Злежуваністю називають властивість сипучого матеріалу втрачати 
плинність при тривалому зберіганні в нерухомому стані з утворенням 
конгломератів або навіть єдиного моноліту. Насипна щільність природного піску 
1300 ... 1500 кг/м3. Пісок змінює свій обсяг і відповідно насипну щільність при 
зміні вологості в межах від 0 до 20%. При вологості 3 ... 10% щільність піску різко 
знижується в порівнянні з щільністю сухого піску, тому що кожна частка піску 
покривається тонким шаром води і загальний обсяг піску зростає. При 
подальшому збільшенні вологості вода входить в порожнечі між зернами піску, 
витісняючи повітря, і насипна щільність піску знову збільшується. Зміни 
насипної щільності піску при зміні його вологості необхідно враховувати при 
дозуванні піску за обсягом. Висота точки перетину похилих прорізів в трубах 
пристрою є регульованим параметром, який визначає корегузму величину 
осідання колони для вирівнювання крену фундаменту при зменшенні висоти 
робочого тіла. Цю процедуру можна проводити необмежену кількість разів з 
метою коригування геометричного положення будівлі в просторі. Зазначені 
положення по працездатності пристрою перевірені експериментальним чином на 
зразках піску різної вологості. Принципова методика експериментальних 
досліджень полягає в наступному. Для проведення випробувань застосовувався 
навантажувальний каркас марки МЕ406 (малюнок 2.6) виробництва іспанської 
фірми Servosis. Устаткування марки МЕ406 дозволяє проводити статичні і 
динамічні тести для великих структур, воно включає сервогідравлічну 
навантажувальну раму з граничним осьовим зусиллям 2500 кН, камеру 
тривісного стиску, блок управління сервогідравлічним приводом, блок обробки 
даних, що надходять з датчиків тиску і переміщень. Випробувальна швидкість до 
1000 мм/хв. У процесі випробування в автоматичному режимі (з використанням 
програмного забезпечення PCD2K) реалізується задана траєкторія навантаження. 
При цьому вимірювалися такі величини: вертикальне осьове зусилля; 
вертикальне переміщення верхнього штампа. Також є можливість підключення 
будь-якого аксесуара (малюнок 2.7).
35
Мал. 2.6. Випробувальний каркас Мал. 2.7. Додатковий пристрій для 
марки МЕ406 іспанської фірми вимірювання вертикального 
8ЄГУО5І5. переміщення штампа.
Експеримент проводився на дослідному зразку пристрою для регулювання
вертикального положення будівлі в просторі. Перед початком експерименту були 
підготовлені дослідні зразки для використання. Пісок зважувався і розміщувався
в тепловій камері при температурі 110°С на дванадцять годин (малюнок 2.8). 
Після цього пристрій для коригування геометричного положення в просторі 
встановлювався на навантажувальний каркас. Пісок засипався у внутрішню 
трубу, при цьому контролювалося, щоб отвори на внутрішній і зовнішній трубі
не перетиналися.
В якості штампа обраний конічний наконечник, так як конус є найбільш 
вдалою формою осесиметричного ріжучого профілю, при введенні якого в 
середовищі не виникають ускладнюючі явища (крайові напруги, місцеві 
ущільнення і ін.). Опір ґрунту введенню конусоподібного наконечника 
називається загальним опором зондуванню і складається з опору проникненню 
наконечника і тертя ґрунту об бічну поверхню металевих стінок пристрою для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
36
Конічна форма підошви штампа дозволяє уникнути формування під підошвою 
штампа переущільненого ядра, яке в подальшому створює розклинюючий ефект 
в сипучому матеріалі.
Мал. 2.8. Зважування піску для проведення експериментального дослідження 
пристрою для регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
При ексцентриситеті граничного навантаження під штампом утворюється 
перехідний ущільнений клиновидний обсяг ґрунту. При симетричному 
вертикальному навантаженні це ущільнене ядро має симетричну форму.
На малюнку 2.9 показана фотографія дослідів по вдавленню штампів в 
піщані ґрунти з укладеними горизонтальними смугами, що дозволили 
зафіксувати форму ґрунту для випадку осьової симетрії напруженого стану 
(круглий штамп), отримані В.Г. Березанцевим. Ядро у вертикальній площині має 
трикутну форму.
Мал. 2.9. Форма ущільненого ґрунтового ядра при вертикальному симетричному 
навантаженні для круглого штампа по дослідам В.Г. Березанцева.
Після того, як пісок був засипаний у внутрішню трубу, встановлювався 
металевий конусоподібний елемент (малюнок 2.10) загостреною стороною вниз 
безпосередньо на пісок (малюнок 2.11).
37
Мал. 2.10. Конусоподібний металевий складовий елемент пристрою для 
регулювання вертикального положення в просторі.
Мал. 2.11. Підготовка до використання пристрою для коригування вертикального 
положення в просторі.
Після цього в робоче положення встановлювалося обладнання для 
відстеження точного переміщення штампа по вертикалі (малюнок 2.12).
Перед початком експерименту було проведено попереднє навантаження піску, 
що дорівнює максимально випробуваємому. Після чого задавалася величина 
необхідного навантаження за допомогою програмного забезпечення РСП2К. 
Проведено по чотири експерименти з різним навантаженням рівним 3, 7, 15, 40 
тон для різної вологості піску 0,3, 5,10,15% і при різній висоті перетину прорізів 
на пристрої 3,6,9,12,15,18,21,24,27 і 30 см (таблиця 2.1). При перетині прорізів 
на необхідній висоті пристрою пісок витікає з пристрою (малюнок 2.13), тим 
самим регулюється крен будівлі. Після цього був зважений витягнутий з 
пристрою пісок для контролю витрат робочого тіла.
38
Таблиця 2.1 Програма експериментальних досліджень
Номер зразка (Маркування Рівень Вологість піску,% Час, с Висота перетину, см
зразка) навантаження, т
1 2 3 4
1 (НЗВО) 3 0 -
2 (Н7В0) 7 0 -
3 (Н15В0) 15 0 -
4 (Н40В0) 40 0 -
5 (НЗВЗ) 3 3 -
6 (Н7ВЗ) 7 3 -
7(Н15ВЗ) 15 3 -
8 (Н40ВЗ) 40 3 -
9 (НЗВ5) 3 5 -
10 (Н7В5) 7 5 -
11 (Н15В5) 15 5 -
12 (Н40В5) 40 5 -
13 (НЗВ10) 3 10 -
14(Н7В10) 7 10 -
15 (Н15В10) 15 10 -
16(Н40В10) 40 10 -
17(НЗВ15) 3 15 -
18(Н7В15) 7 15 -
19(Н15В15) 15 15 -
20(Н40В15) 40 15 -
21 (НЗВОВр15ОВпЗО) 3 0 150 зо
22 (Н7В0Вр150Вп30) 7 0 150 зо
23 (Н15В0Вр 15ОВпЗО) 15 0 150 зо
24 (Н40В0Вр150Вп30) 40 0 150 ЗО
25 (НЗВЗВр15ОВпЗО) 3 3 150 зо
26(Н7ВЗВр15ОВпЗО) 7 3 150 зо
27(Н15ВЗВр15ОВпЗО) 15 3 150 зо
28 (Н4ОВЗВр15ОВпЗО) 40 3 150 зо
29 (НЗВ5Вр15ОВпЗО) 3 5 150 ЗО
30 (Н7В5Вр150Вп30) 7 5 150 зо
31 (Н15В5Вр15ОВпЗО) 15 5 150 зо
32(Н40В5Вр150Вп30) 40 5 150 зо
33 (НЗВ ЮВр 150Вп30) 3 10 150 зо
34(Н7В10Вр150Вп30) 7 10 150 ЗО
35(Н15В ЮВр 15ОВпЗО) 15 10 150 ЗО
36(Н40В10Вр150Вп30) 40 10 150 зо
37(НЗВ15Вр150Вп30) 3 15 150 зо
38(Н7В15Вр150Вп30) 7 15 150 зо
39 (Н15В 15Вр 150Вп30) 15 15 150 зо
40 (Н40В15Вр150Вп30) 40 15 150 зо
41 (НЗВОВпЗ) 3 0 3
39
42 (НЗВОВпб) 3 0 6
43 (НЗВ0Вп9) 3 0 9
44 (НЗВ0Вп12) 3 0 12
45 (НЗВ0Вп15) 3 0 15
46(НЗВ0Вп18) 3 0 18
47 (НЗВ0Вп21) 3 0 21
48 (НЗВ0Вп24) 3 0 24
49 (НЗВ0Вп27) 3 0 27
50 (НЗВОВпЗО) 3 0 зо
51 (Н7В0ВпЗ) 7 0 3
52 (Н7В0Вп6) 7 0 6
53 (Н7В0Вп9) 7 0 9
54 (Н7В0Вп12) 7 0 12
55 (Н7В0ВП15) 7 0 15
56(Н7В0Вп18) 7 0 18
57 (Н7В0Вп21) 7 0 21
58 (Н7В0Вп24) 7 0 24
59 (Н7В0Вп27) 7 0 27
60 (Н7В0Вп30) 7 0 зо
61 (Н15В0ВпЗ) 15 0 3
62 (Н15В0Вп6) 15 0 6
63 (Н15В0Вп9) 15 0 9
64 (Н15В0Вп12) 15 0 12
65 (Н15В0Вп15) 15 0 15
66(Н15В0Вп18) 15 0 18
67 (Н15В0Вп21) 15 0 21
68 (Н15В0Вп24) 15 0 24
69 (Н15В0Вп27) 15 0 27
70(Н15В0Вп30) 15 0 ЗО
71 (Н40В0ВпЗ) 40 0 3
72 (Н40В0Вп6) 40 0 6
73 (Н40В0Вп9) 40 0 9
74 (Н40В0Вп12) 40 0 12
75 (Н40В0Вп15) 40 0 15
76 (Н40В0ВП18) 40 0 18
77 (Н40В0Вп21) 40 0 21
78 (Н40В0Вп24) 40 0 24
79 (Н40В0Вп27) 40 0 27
80 (Н40В0Вп30) 40 0 ЗО
Результати експериментальних досліджень (див. розділЗ) представлені у вигляді 
залежності величин(таблиці і графіки), які характеризують технічні параметри 
пристрою для регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
40
Мал. 2.12 Встановлення Мал. 2.13. Виймання необхідної 
додаткового обладнання в кількості піску з пристрою для 
робочий стан. регулювання геометричного положення 
будівлі в просторі.
2.2 Аналіз методик чисельного експерименту по технології вирівнювання на 
напружено-деформований стан елементів каркасних будівель і споруд
Реалізацію основних положень з проектування будівель і споруд з 
пристроєм регульованого фундаменту пропонується здійснювати відповідно до 
блок-схеми численних досліджень (малюнок 2.14). Метою варіантних 
розрахунків в даному випадку є визначення розрахункових зусиль і переміщень 
в конструкціях будівель і споруд, які отримали понаднормову деформацію 
основи, і визначення за результатами цих розрахунків техніко-економічних 
показників досліджуваних варіантів конструктивних заходів коригування 
геометричного положення будівлі в просторі. Для виконання розрахунків на 
задані навантаження і впливи використовуються програмні комплекси ЛІРА [23, 
24] і 8АР2000.
В даний час в розрахунках об'єктів будівництва, а також у багатьох інших сферах, 
де актуальні методи будівельної механіки, з успіхом застосовується програмний 
комплекс ПК ЛІРА.
41
ПК ЛІРА призначений для розрахунку конструкцій на міцність, жорсткість, 
стійкість при статичному або динамічному навантаженнях [21-23]. В основу 
розрахунку покладено метод скінченних елементів (MCE) [20,104]. За допомогою 
MCE розраховуються плоскі і просторові стрижневі системи, пластини і 
оболонки, мембрани, масивні тіла. Також можуть бути розраховані комбіновані 
системи: рамно-зв'язкові конструкції багатоповерхових будівель, прогонові 
будови мостів, пластини з ребрами, плити на пружній основі і т. ін. Статичні 
впливи можуть бути силовими, температурними або заданими переміщеннями 
окремих точок підстав фундаментів. Динамічне навантаження задається у вигляді 
вібраційного навантаження від технологічного обладнання, пульсації вітру, 
ударних і сейсмічних впливів. Розраховуючі системи можуть мати довільні 
контури і умови закріплення, різні послаблення і вирізи. Бібліотека комплексу 
містить велику кількість різних кінцевих елементів (КЕ). У ПК Ліра вирішуються 
різні завдання, в тому числі з урахуванням фізичної або геометричної 
нелінійності. За результатами розрахунку здійснюється вибір невигідних 
комбінацій навантажень, перевірка або підбір розмірів поперечних перерізів 
сталевих стрижнів, діаметрів арматури і т. ін.
Програмний комплекс SAP2000 представляє найбільш складний і зручний 
для користувача варіант із серії SAP комп'ютерних програм, інтегрованих з 
Windows Microsoft, який надає всі інноваційні можливості потужного графічного 
інтерфейсу, що не має рівних собі за легкістю у використанні і продуктивності. 
Створення і зміна моделі, виконання аналізу, перевірки та оптимізації проекту - 
все виконано через наданий інтерфейс. Графічне відображення результатів 
зроблено наочно, включаючи анімації зсувів елементів в режимі реального часу. 
Аналітичні можливості - об'єктивно потужні, представляють найостанніші 
досягнення в числових методах і алгоритмах рішення. CSI SAP2000 в режимі 
нелінійного аналізу (зміна в часі), використовує нову чисельну методику 
інтеграції, ідентифіковану як метод Вільсона FNA (Швидкий Нелінійний Аналіз). 
Процедура використовує ітераційний векторний алгоритм накладення 
42
(суперпозиції), який є надзвичайно ефективним для аналізу структур з 
зумовленими обмеженими нелінійностями. Метод продемонстрував значні 
зниження часу обробки в порівнянні з іншими нелінійними методами аналізу. 
На підставі цього, проведено порівняльний аналіз розрахунків в найбільш 
поширених програмних комплексах для перевірки збіжності результатів і оцінки 
загальної достовірності результатів.
Мал. 2.14. Блок-схема чисельних досліджень.
43
2.2.1 Напружено-деформований стан елементів каркасного будинку при 
одноетапному вирівнюванні за допомогою пристрою для коригування 
геометричного положення будівлі в просторі
Для отримання даних про НДС елементів каркасного будинку на плитному 
фундаменті було побудовано дві кінцевоелементні моделі на трьох етапах 
дослідження в двох програмних комплексах. Як об'єкт дослідження було 
прийнято 23-х поверховий будинок з технологічним поверхом, в якому 
розміщується досліджуваний пристрій (малюнок 2.15). Висота типового поверху 
З метри, крок колон 6 м.
Збірний залізобетонний каркас будівлі складається з поперечних рам, 
об'єднаних в просторову систему плитами перекриття і покриття. До складу 
будівлі входять: фундаментна плита, колони, ригелі, фундаментні балки, плити 
покриття та перекриття. Фундамент прийнятий у вигляді монолітної 
залізобетонної плити товщиною 0.5 м. Колони застосовані збірні залізобетонні 
прямокутного перерізу з розміром перетину 400 х 400 мм. Плити перекриття і 
покриття прийняті збірні залізобетонні багатопустотні.
Жорсткістні параметри елементів каркасу задавалися в ПК LIRA і ПК 
SAP2000 по їх перетинах і модулю пружності бетону: плита змодельована 
пластинчастим кінцевим елементом, товщиною 0.5м. Ригеля і колони 
змодельовані стрижневим кінцевим елементом перетином 40 х 40 см, матеріал- 
бетон класу по міцності С20/25. Пристрій змодельовано сталевою трубою 
діаметром 42 см і товщиною стінки 6.5 мм. Для фундаментної плити попередньо 
обчислюються коефіцієнти жорсткості основи Ciz. Розрахункова схема 
досліджуваної будівлі в ПК LIRA і ПК SAP2000 представлена у вигляді ансамблю 
кінцевих елементів (малюнки 2.16, 2.17). Для першого етапу дослідження були 
задані постійне і тимчасове навантаження.
44
Мал. 2.15. Конструктивна схема будівлі, прийнятої в якості об'єкта дослідження.
Крен на другому етапі задавався за допомогою навантаження типу 
«переміщення», заданого в необхідні вузли фундаментної плити в залежності від 
величини крену. Максимальна величина переміщення, що викликає крен будівлі 
дорівнює ЗО см. Максимальні переміщення задаються в точках обпирання колон 
по осі А. Далі переміщення в точках обпирання інших колон зменшуються в 
сторону середини будівлі (таблиця 2.2, малюнок 2.18).
Мал. 2.16. Розрахункова схема будівлі Мал. 2.17. Розрахункова схема 
в ПК LIRA. будівлі ПК SAP2000.
Слід зазначити, що завдання крену будівлі описаним способом є 
спрощеним. При такому способі крен будівлі виникає не в результаті осідань 
основи, а в результаті вертикальних переміщень фундаментної плити. При цьому 
45
зазначені переміщення є фіксованими. В результаті цього перерозподіл тисків під 
фундаментною плитою відбувається тільки на її частині за кордоном заданих 
переміщень. Для точного розрахунку конструкцій будівлі такий спосіб завдань 
крену не рекомендується.
У загальному випадку основа фундаментної плити слід моделювати 
стрижнями еквівалентної жорсткості. Вимушені осідання основи в цьому 
випадку задаються вимушеними переміщеннями опорних перетинів стрижнів, 
що моделюють пружні властивості основи. При цьому крен будівлі проявляється 
в результаті взаємодії системи «основа - фундамент - верхня будова».
У той же час, для цілей цих досліджень спрощений спосіб завдання крену будівлі 
є прийнятним. Це пов'язано з тим, що досліджується якісні параметри 
ефективності різних способів вирівнювання будівлі при заданому його 
деформованому стані.
На третьому етапі проводилося моделювання вирівнюючого регулювання 
положення будівлі в просторі. У реальному процесі регулювання просторового 
положення будівлі відбувається зменшенням висоти пристрою за рахунок 
виділення з нього піску. У розрахункової моделі зменшення висоти пристрою 
досягається прикладанням до нього з боку колони вертикального навантаження, 
що розраховується за формулою (2.1). Значення вказаних навантажень наведені 
в таблиці 2.2.
А 
N =--- *^кН
L (2-1)
де: А - задаваєма величина переміщення будівлі в просторі;
Е - модуль пружності матеріалу, що використовується для пристрою (рівний 20 
КН/см2);
А - площа поперечного перерізу елемента, що моделює пристрій для коригування 
геометричного положення будівлі в просторі;
Ь - довжина стержня, що моделює пристрій для коригування геометричного 
положення будівлі в просторі.
46
Методика обчислення переміщень А (формула 2.1), що призводять до 
виправлення крену будинку, полягає в наступному.
Задається середнє осідання положення колон будівлі після коригування 
його положення в просторі. Як правило, це осідання фундаменту з максимальним 
вимушеним переміщенням. За результатами статичного розрахунку будівлі на 
другому етапі його навантаження обчислюються осідання колон будівлі. 
Осідання регулювання просторового положення А обчислюються як різниця 
середнього осідання будівлі і розрахункового осідання колони на другому етапі 
його навантаження.
Таким чином, деформований стан фундаментів не зникає. Коригуванню 
(вирівнюванню) підлягають надземні конструкції будівлі, включаючи колони та 
інші конструктивні елементи, що спираються на них.
Таблиця 2.2 Розрахункова величина прикладаємого вертикального навантаження
при одноетапному виправленні крену
Вісь колон Величина заданого Прикладене вертикальне 
переміщення, см навантаження, КН
А1 ЗО 0
А 28 0
Б 24 0
В 18 125140
Г 12 229424
д 6 312852
Е 0 396279
Ж 0 500563
3 0 583990
и 0 162704
За отриманими результатами розрахунків на другому і третьому етапах
навантаження будівлі побудовані епюри згинальних моментів для двох 
програмних комплексів. За знайденим зусиллям виконувався аналіз епюр 
моментів і переміщень на стадіях дослідження роботи пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі, а також порівняльний аналіз ПДВ в 
двох програмних комплексах.
47
2.2.2 Напружено-деформований стан елементів каркасного будинку при 
багатоетапному вирівнюванні за допомогою пристрою для коригування 
геометричного положення будівлі в просторі.
Для отримання даних про НДС елементів каркасного будинку на плитному 
фундаменті було збудовано КЕМ будівлі на трьох етапах дослідження в 
програмному комплексі Lira - САПР 2013R5 . Як об'єкт дослідження було 
прийнято 14-ти поверхова будівля з технологічним поверхом, в якому 
розміщується досліджуваний пристрій. Висота типового поверху 3 метри, крок 
колон 6 м (рисунок 2.19).
Мал. 2.19. Розрахункова схема будівлі в ПК LIRA.
На другому етапі дослідження в ПК LIRA задавалося навантаження типу 
"переміщення" по ряду крайньої колони будівлі, що дорівнює ЗО см, в вузлах 
сполучення пластинчастих КЕ, що моделюють роботу фундаментної плити, і 
стрижнів, що моделюють роботу пристрою для коригування геометричного 
положення будівлі в просторі. Вимушені переміщення задані за спрощеною 
методикою. Допустимість такого спрощеного завдання вимушених переміщень 
48
для цілей цих досліджень обґрунтована в п.2.2.1. На наступних етапах 
дослідження здійснювалося вирівнювання геометричного положення будівлі за 
допомогою застосування розробленого пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі. При цьому коригуванню 
піддавалися тільки надземні конструкції, включаючи колони і спираючися на них 
конструкції будівлі. Деформований стан фундаментної плити не коригується, а 
залишається таким, яке сформувалося після двох етапів навантаження. На 
кожному етапі в стрижень, що моделює пристрій для коригування вертикальності 
конструкції, прикладалося навантаження "рівномірний нагрів", за допомогою 
якого моделюється регулювання вирівнювання у вигляді зміни висоти стрижня. 
Величина температурного впливу, при якому зменшиться довжина елемента 
визначається за формулою 2.2
Аі = 5 і /(щ х£ і ), (2 2)
де: Лі - величина температурного впливу, необхідна для переміщення стрижня на 
величину Зі;
Зі - необхідна величина переміщення стрижня;
а; - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу стрижня;
Сі - номінальна довжина стрижня оболонки за проектом.
Для того, щоб зусилля, які виникають в елементах конструкції під час 
вирівнювання будівлі, не перевищували максимально допустимих, навантаження 
"рівномірний нагрів" прикладається поетапно, починаючи з осі колон з 
найбільшою величиною осідання. Схема вирівнювання крену будівлі, заданого 
на етапах 1 і 2 включає 14 етапів вирівнювання (таблиця 2.3).
Вирівнювання будівлі передбачає опускання його надземної частини на величину 
Атах = 0.3 м. При цьому сума величин вирівнювання будівлі на етапах повинна 
дорівнювати кінцевій величині вирівнювання Ашах (2 Зі = Атах).
49
Таблиця 2.3 Розрахункова величина прикладеного навантаження при 
багатоетапному виправленні крену на 3-6 см. ______________ _______________
Номер етапу Тип прикладеного 
дослідження навантаження Вісь колон Величина Зменшення довжини 
навантаження стрижня, см
1 Постійне і тимчасове Постійна - власна -
навантаження вага, Тимчасова 2,5 
КН/м2
2 "Переміщення" 1 0.3 м
3 2 -9240°С 6
Рівномірний нагрів
4 " Рівномірний нагрів 3 -4620°С 3
5 " Рівномірний нагрів 2 -9240°С 6
3 -9240°С 6
4 -4620°С 3
6 " Рівномірний нагрів 2 -9240°С 6
3 -9240°С 6
4 -9240°С 6
5 -4620°С 3
7 "Рівномірний нагрів 2 -9240°С 6
3 -9240°С 6
4 -9240°С 6
5 -9240°С 6
6 -4620°С 3
8 Рівномірний нагрів 2 -9240°С 6
3 -9240°С 6
4 -9240°С 6
5 -9240°С 6
9 Рівномірний нагрів 3 -4620°С 3
4 -9240°С 6
5 -9240°С 6
50
6 -9240°С 6
7 -9240°С 6
8 -4620°С 3
10 4 -4620°С 3
Рівномірний нагрів 5 -9240°С 6
6 -9240°С 6
7 -9240°С 6
8 -9240°С 6
9 -4620°С 3
11 Рівномірний нагрів 5 -4620°С 3
6 -9240°С 6
7 -9240°С 6
8 -9240°С 6
9 -9240°С 6
10 -4620°С 3
12 6 -4620°С 3
Рівномірний нагрів 7 -9240°С 6
8 -9240°С 6
9 -9240°С 6
10 -4620°С 3
13 7 -4620°С 3
Рівномірний нагрів 8 -9240°С 6
9 -9240°С 6
10 -9240°С 6
14 Рівномірний нагрів 8 -4620°С 3
9 -9240°С 6
10 -9240°С 6
15 Рівномірний нагрів 9 -4620°С 3
10 -9240°С 6
16 Рівномірний нагрів 10 -4620°С 3
51
У розглянутій схемі навантаження послідовні вирівнювання колон будівлі 
здійснювалося на повну величину Лтах=0.3м. Результати теоретичних досліджень 
по багатоетапного вирівнюванню будівлі при різних схемах навантаження 
порівнювалися з метою виявлення максимальних зусиль, які виникають при 
вирівнюванні в елементах каркаса, і складання рекомендацій по вибору 
оптимальних схем вирівнювання.
Висновки по розділу 2
1. Проаналізовано пристрій для просторового корегування будівлі шляхом 
опускання його частин, яке є вдосконаленою конструкцією пісочниці. 
Проаналізовано методику перевірки працездатності пристрою і визначення його 
основних технологічних параметрів. Методика експериментальних досліджень 
передбачає використання автоматизованого випробувального устаткування 
МЕ406 іспанської фірми Servosis.
2. Пристрій складається з двох коаксіальних сталевих труб, у внутрішній з яких 
розміщується робоче тіло в вигляді сухого піску. Зовнішня труба має кутову 
ступінь свободи по відношенню до внутрішньої труби. Труби мають похилі 
взаємноперетинальні прорізи в бічних поверхнях. Отвір для висипання піску 
утворюється на перетині похилих прорізів і може переміщатися по висоті 
пристрою. Навантаження від будівлі на пристрій передається через конічний 
штамп, розташований у внутрішній трубі над робочим тілом. Конічна форма 
штампу дозволяє створювати в робочому тілі бічні тиски, достатні для висипання 
піску. Квота (ступінь) осідання залежить від висоти конуса. При роботі пристрою 
отвір для висипання піску послідовно переміщається зверху вниз на величину 
квоти (ступені). Пристрій має властивість автоматичного контролю 
розрахункового осідання.
3. Проаналізовано за методикою чисельного моделювання процесів утворення 
кренів споруди і просторового коригування будівлі, що отримала крен. Методики 
чисельних досліджень припускають використання програмних комплексів ПК 
LIRA і ПК SAP2000. Крени будівлі створюються за спрощеною методикою 
52
шляхом завдання вимушених переміщень вузлам фундаментної плити. При 
цьому розподільні властивості основи враховуються тільки на ділянках за 
межами завдання вимушених переміщень. Вирівнювання будівлі здійснюється 
шляхом опускання його надземних конструкцій, включаючи колони і 
конструкції, що спираються на них. Фундаменти не підлягають коригуванню і 
зберігають деформований стан, який вони прийняли після спричинення 
навантажень і вимушених переміщень.
4. Методики передбачають дослідження двох об'єктів: 23-х поверхова каркасна 
будівля на плитному фундаменті і 14-ти поверхова каркасна будівля також на 
плитному фундаменті.
Вирівнювання 23-х поверхової будівлі моделюється прикладанням вертикальних 
сил, які викликають задані переміщення стрижнів, що моделюють пристрій. 
Вирівнювання 14-ти поверхової будівлі моделюється температурними 
деформаціями, що викликають укорочення стрижнів, що моделюють пристрій, 
на задану величину. Розроблено методику обчислення відповідних переміщень 
стрижнів, що моделюють пристрої, необхідних для коригування будівлі.
Методиками передбачаються багатофакторні чисельні дослідження, в яких 
варіюються можливі схеми коригування будівлі, в тому числі одноетапні і 
багатоетапні з повними і частковими приростами переміщень. Методики 
розроблені для виявлення оптимальних схем коригування будівель, при яких в 
несучих конструкціях виникають мінімальні зусилля.
53
РОЗДІЛ З ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРІВНЮВАННЯ ПО 
ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД, ЩО ОТРИМАЛИ НЕРІВНОМІРНЕ 
ОСІДАННЯ В СКЛАДНИХ УМОВАХ.
3.1 Технологія використання пристрою та результати дослідження 
деформативності піску при роботі пристрою вирівнювання
З метою встановлення впливу рівня навантаження, вологості піску і його 
складу на працездатність розглядаємого пристрою були проведені аналізи 
експериментальних досліджень: вплив попереднього навантаження, вологості, 
часу навантаження і складу піску на його деформативність. Дана група дослідів 
проводилася при закритому отворі у пристрої, тобто пісок знаходився в пристрої 
без можливості його вилучення. Конструкція зовнішньої і внутрішньої оболонки 
випробуваного пристрою показана на малюнках 3.1, 3.2).
Мал. 3.1. Конструкція зовнішньої оболонки пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі.
54
Мал. 3.2. Конструкція внутрішньої оболонки пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі.
3.1.1 Вплив попереднього навантаження на деформованість піску
В ході експерименту були проведені випробування попереднього навантаження 
зразків сипучого матеріалу, які розмішувалися в пропонованому пристрої 
(малюнок 3.3). Випробування проводилися при однаковій швидкості 
навантаження з наступними величинами рівнів навантаження:
- З тони зусилля гідравлічного каркаса, що відповідає тиску 1.492 МПа (1.5 МПа);
- 7 тон, що відповідає 3.482 МПа (3.5 МПа);
- 15 тон, що відповідає 7.460 МПа (7.5 МПа);
- 40 тон, що відповідає 19.89 МПа (20 МПа).
55
Мал. 3.3. Дослідження впливу попереднього навантаження, вологості піску і часу 
навантаження на деформативність піску.
Для того, щоб визначити стан піщаного ґрунту, необхідно визначити повну 
вологоємність відповідно до формули 3.1.
wг з аі = - 
r> (3.1)
де: у8 - питома вага часток ґрунту, рівний 26.6 кН/м3;
у« - питома вага води, 10 кН/м3;
е - коефіцієнт пористості.
Величина відносної вологості визначається за формулою (3.2)
Wвiдн=w/Wsat (3.2)
де: w - природна вологість.
Стан піщаних ґрунтів встановлюється в залежності від коефіцієнта пористості і 
ступеня вологості. Розрахунки зведені в таблицю 3.1.
Таблиця 3.1 Стан піщаних ґрунтів за ступенем вологості і по щільності складення
Вологість Коефіцієнт, Відносна 
піску,% пористості, е Повна вологоємність ВОЛОГІСТЬ W вда Стан піску
wsat
0 0.44 0.16 0.00 Щільні маловологі піски
3 0.48 0.18 0.17 Щільні маловологі піски
5 0.51 0.16 0.30 середньої щільності маловологі піски
10 0.58 0.22 0.46 середньої щільності маловологі піски
15 0.65 0.25 0.61 середньої щільності маловологі піски
На мал. 3.4 приведені графіки, які показують вплив попереднього
навантажування на деформативність піску в залежності від вологості піску.
56
Напруження, МПа
Мал. 3.4. Вплив попереднього навантаження на деформованість піску при різній 
вологості.
Результати дослідження впливу попереднього навантаження на деформованість 
піску показали, що деформація піску склала для сухого піску:
- при напрузі від 0 до 1.5 МПа 6.25 мм;
- при напрузі від 1.5 до 3.5 МПа 8.24 мм;
- при напрузі від 3.5 до 7.5 МПа 8.95 мм;
- при напрузі від 7.5 до 20 МПа 15.18 мм.
Це пов'язано з тим, що на високих рівнях навантаження окремі зерна 
починають дробитися, що дозволяє піску подальше деформування, тим самим 
зменшуючи опір стисненню. Така поведінка призводить до ще більш щільному 
розташуванню частинок. При прикладанні початкових стискальних напруженнях 
невеликого рівня (0.1-3.5 МПа), спостерігається більш інтенсивне ущільнення. 
Подальше збільшення напруги призводить до зниження інтенсивності 
деформування (7МПа-14.71МПа). Стисливість піску, яка визначається як 
зворотна модуля деформації, зменшується, коли вертикальне напруження 
підвищується до 14.71 МПа. Це пов'язано з безперервним перекомпонуванням і 
ущільненням піску. При більш високих рівнях напружень стисливість 
збільшується за рахунок перегрупування частинок, що сприяє подрібненню
57
часток. В результаті очікується зниження деформативності при подальшому 
зростанні напруги (понад 19 МПа).
Для аналізу стисливості піску в пристрої обчислені за даними графіків на 
малюнку 3.4 відносні деформації стиснення і модуль деформації піску в умовах 
компресійного стиску. Наводяться як відсічні, так і дотичні модулі деформації 
(таблиця 3.2).
Таблиця 3.2 Деформаційні характеристики піску в умовах компресійного стиску
О, 8, є Е, До, Д8, Ек, 
МПа мм МПа МПа мм Де МПА
1.5 6.25 0.0208 72.1 1.5 6.25 0.0208 72.1
3.5 8.24 0.0275 127.3 2 1.99 0.0066 303.0
7.5 8.95 0.0298 251.7 4 0.71 0.0024 1666.7
10 10.5 0.035 457.1 8.5 1.55 0.0052 1634.6
20 15.8 0.0527 379.5 4 5.3 0.0177 266.0
Примітка: 1) В таблиці Е - відсіяний модуль деформації, Ек- дотичний модуль деформації; 2) При 
обчисленні деформації висота шару піску в пристрою прийнята 300 мм.
При проектуванні пристрою для коригування положення будівлі необхідно 
враховувати деформації піску при передачі на нього навантажень від споруди. 
Розміри пристрою необхідно підбирати таким чином, щоб напруги в піску від 
ваги споруди не перевищували 20 МПа. У цьому випадку для розрахунку 
осідання пристрою від власної ваги споруди слід приймати модуль деформації 
піску 400 МПа.
Для зменшення цих осідань рекомендується проводити попереднє ущільнення 
піску в змонтованому пристрої за допомогою віброштампа.
3.1.2 Перевірка впливу вологості піску на його деформованість.
В ході експерименту передбачалися такі рівні вологості: 0%, 3%, 5%, 10%, 
15%. На мал. 3.5 показані графіки впливу рівня вологості піску на його 
деформативність.
58
Мал.3.5. Вплив вологості піску на деформованість піску при різному напруженні.
Результати дослідження показують, що деформація піску зменшується при 
збільшенні вологості. Дана залежність показана на малюнку 3.6 і представлена в 
таблиці 3.3.
—♦—1.5
мпа
-♦-3.5
мпа
—Л— 7.5
МПа
20
МПа
Вологість, %
Мал. 3.6. Залежність деформації піску від його вологості.
59
Таблиця 3.3 Залежність величини деформації від ступеня вологості піску і 
величини навантаження
Навантаження, МПа Вологість піску,% Кінцева Зменшення величини 
деформація, мм деформації в порівнянні 
з деформацією сухого 
піску,%
1.5 0 6.24
1.5 3 6.19 0.05
1.5 5 5.94 3.3
1.5 10 5.73 5.6
1.5 15 5.44 8.1
3.5 0 8.22
3.5 3 8.19 0.051
3.5 5 7.94 3.32
3.5 10 7.72 5.71
3.5 15 7.44 8.19
7.5 0 9.05
7.5 3 9.00 0.05
7.5 5 8.75 3.28
7.5 10 8.53 5.57
7.5 15 8.25 8.03
20 0 15.18
20 3 15.13 0.05
20 5 14.88 3.28
20 10 14.66 5.57
20 15 14.38 8.03
Напружено-деформований стан піску при відносно невеликій вологості (3
15%) в умовах компресійного стиску залежить від вихідного коефіцієнта 
пористості і власне вологості. Вплив вологості на НДС піску при статичному 
навантаженні пов'язано з дією капілярних сил. Залежно від пористості ці 
капілярні сили можуть збільшити силу зчеплення вологих часток піску, тим 
самим підвищуючи стійкість до деформації. Деформованість піску при 
навантаженні може стримуватися водою в порах в залежності від вологості. 
Вплив злежуваності на поведінку піску під навантаженням, на відміну від 
ненавантаженого піску, буде незначним. В таких умовах, більш вологий пісок має 
меншу деформативність в порівнянні з сухим піском, аж до вологості, пов'язаної 
зі значним витісненням води з пор.
3.1.3. Перевірка впливу часу навантаження на деформованість піску
Навантажування зразку вироблялося при однаковій швидкості 
навантаження. На малюнку 3.7 показана залежність між часом навантаження і 
деформаціями сухого піску.
60
Деформація, мм
Мал. 3.7. Вплив часу навантаження на деформованість піску при швидкості 
навантаження 0.02 т/с.
При випробуванні сухого піску відзначається порівняно невелика 
залежність впливу швидкості деформації на поведінку піску. Швидкість 
дроблення частинок зменшується при збільшенні швидкості деформування, так 
як дроблення частинок процес досить інерційний і вимагає значних витрат часу. 
Стійкість гранулометричного складу піску до цього дроблення може бути 
пов'язана з декількома факторами, в тому числі: дрібні роздроблені частинки 
можуть взаємодіяти подібно великим частинкам; наявність в зерновому складі 
значної фракції великих частинок призводить до більш інтенсивного процесу 
дроблення, що призводить до збільшення швидкості деформування. Зерновий 
склад з відносно невисоким вмістом великих частинок призводить до меншої 
інтенсивності деформованості.
За результатами випробувань можна виділити чотири характерні області 
НДС піску в залежності від рівня напруги і часу навантаження (малюнок 3.8).
61
2400
Деформація, мм
Мал. 3.8. Напружено-деформований стану сухого грунту при статичному 
навантажуванні.
Область 1: Рівень напружень в даній області є недостатнім для подолання 
кінетичного тертя між окремими частинками піску. Таким чином, на даній 
ділянці відбувається пружне стиснення окремих частинок.
Область 2: При напрузі в діапазоні від 0.1 МПа до 7.5 МПа долається кінетичне 
тертя між окремими частинками і пісок починає деформуватися за рахунок того, 
що окремі частинки піску ковзають і скочуються в порожнині. НДС в цій зоні є 
непружним, що характеризується залишковою деформацією піску.
Область 3: При напрузі від 7.5 МПа до 14.7 МПа відбувається перегрупування 
частинок в пустотах, що призводить до більш щільного компонування, через що 
збільшуються контактні точки між частинками піску (малюнок 3.9). Ковзання і 
скочування окремих частинок стає все важче, і спостерігається зміцнення.
Вертикальне навантаження
Мал. 3.9. Порівняння контактних точок: а) в щільному піску б) в ідеальному 
сипучому піску.
Область 4: На високих рівнях напруги (більше 14.71) окремі частинки піску 
починають дробитися, що дозволяє піску подальшу деформацію за рахунок
62
осідання, тим самим зменшується опір стисненню. Це призводить до ще більш 
щільному розташуванню частинок піску.
3.1.4. Вплив крупності піску на його деформованість
При проведенні випробувань спостерігалася зміна зернового складу 
випробуваного піску. При високому тиску спостерігалося більш помітне 
дроблення більших зерен і збільшення кількості дрібної фракції. На малюнку 3.16 
показано зміну зернового складу в процесі експерименту, де УЗ - обсяг фракції 
піску 3 мм, VI - обсяг фракції піску 1 мм (малюнок 3.10).
14!
0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20
Напруження, МПа
Мал. 3.10. Зміна зернового складу при підвищенні напруги.
Дослідження показують, що подрібнення частинок піску збільшується зі 
збільшенням розміру часток в однорідному піску. Крім того, закруглені і округлі 
частинки піску менш сприйнятливі до подрібнення частинок в порівнянні з 
пісками з гострими краями, через присутність меншої кількості нерівностей, 
схильних до локальної концентрації напруг. Заповнювач з добре підібраним 
гранулометричним складом стискається менше, і менше схильний до 
подрібнення частинок в порівнянні з погано фракціонованим заповнювачем.
3.2 Аналіз результатів дослідження з вирівнювання елементів каркасних 
будівель і споруд за допомогою вирівнювального пристрою
В ході дослідження виконувалися експерименти по визначенню впливу 
роботи пристрою на виправлення крену каркаса будівлі. З метою перевірки 
швидкості зміни крену будівлі і перевірки працездатності пристрою при різних 
параметрах навантаження, вологості, необхідної величини осідання проведені 
випробування при навантаженні 3, 7, 15, 40 тон, при вологості 0, 3, 5, 10, 15% і 
необхідної величини осідання 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 см.
3.2.1 Вплив рівня навантаження на швидкість осідання пристрою для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
63
При випробуванні впливу рівня навантаження на швидкість осідання 
проводилися експерименти при напружених 1.5; 3.5; 7.5 і 20 МПа (малюнок 3.11). 
Отвір в пристрої відкривалося на 150 секунд. При цьому вимірювалися вага і 
обсяг піску, видаленого з пристрою при дії заданого рівня навантаження і 
контрольованої величини осідання. Після того, як закривався отвір, вимірялась 
вага висипаного піску.
Мал. 3.11. Пристрій для регулювання вертикального положення будівлі в 
просторі після закриття отвору.
Загальна вага піску в пристрої становить 5566 грам, без урахування ваги 
пластикового піддону вагою 236 грам.
На малюнку 3.12 показані графіки залежності впливу величини 
навантаження на осадку пристрою при перетині похилих отворів у пристрої для 
регулювання вертикального положення в просторі на час 150 секунд.
Мал. 3.12. Вплив величини навантаження на осадку пристрою.
Таким чином, отримані результати впливу величини напруги на осадку пристрою 
можна звести в таблицю 3.4.
64
Таблиця 3.4 Вплив величини напруги на осадку пристрою
Величина Осадка пристрою, Кількість Процентне 
напруги, МПа мм висипаємого співвідношення в 
піску, г. порівнянні з напругою 
1.5 МПа
1.5 27,46 866
3,5 28,13 866 2,4
7,5 28,86 897 5,09
20 29,76 924 8,37
Результати аналізу експерименту показують незначну залежність величини 
напруги на величину осідання (менше 10%). Це пов'язано з тим, що визначальним 
процесом ущільнення сипучого середовища при різних тисках є пористість піску 
за рахунок руйнування частинок і заповненням їх повітрям з пір. Тому 
характеристику граничної стисливості середовища можна ототожнити з 
пористістю середовища. Так як після попереднього навантаження піщаного 
ґрунту відбулася його деформація, то при відкритті отвору для витікання піску 
деформований ґрунт висипається з приблизно однаковою швидкістю при різних 
напруженнях в силу того, що подальше деформування піщаного ґрунту 
практично виключено.
3.2.2 Вплив рівня вологості піску на швидкість осідання пристрою для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі
В ході експерименту передбачалися такі рівні вологості: 0%, 3%, 5%, 10%, 15%. 
На малюнку 3.13 показані графіки впливу рівня вологості піску на осідання 
пристрою для регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
-«-1,5 МПа
-♦—3,5 МПа
—♦—7,5 МПа
—М—20 МПа
Мал. 3.13. Вплив рівня вологості піску на осадку пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі. Час роботи пристрою 150 с.
Результати аналізу експериментального дослідження щодо впливу вологості 
піску на величину осідання зведені в таблицю 3.5.
65
Таблиця 3.5 Вплив вологості піску на величину осідання
Напруження, Вологість, %
Величина осідання, мм Процентне співвідношення у 
МПа
порівнянні з сухим піском, %
1.5 0 27.51
1.5 3 27.38 0.0494
1.5 5 26.71 3.00
1.5 10 26.16 5.15
1.5 15 25.47 7.99
3.5 0 28.52
3.5 3 28.38 0.051
3.5 5 27.69 3.319
3.5 10 27.12 5.71
3.5 15 26.41 8.19
7.5 0 28.86
7.5 3 28.71 0.05
7.5 5 28.01 3.28
7.5 10 27.44 5.57
7.5 15 26.72 8.03
20 0 29.83
20 3 29.37 0.05
20 5 29.23 3.28
20 10 28.63 5.57
20 15 27.87 8.03
З аналізу результатів випробувань можна зробити наступні висновки.
При збільшенні вологості піску в діапазоні (0 -^ 15)% обсяг віддаленого піску за 
час його роботи 150 сек. зменшується. При цьому зменшується осідання 
пристрою. Максимальний вплив вологості піску на величину осідання пристрою 
(8 -і- 9)%. Зазначена закономірність виявлена для всіх рівнів навантаження від 1,5 
до 20 МПа.
3.3 Визначення залежності величини осідання пристрою від його 
технологічних параметрів
Залежність часу осідання пристрою досліджено при різній висоті відкриття 
отвору. Було проведено ряд дослідів з відкриттям (перетином) прорізів 
внутрішньої і зовнішньої труби на відмітках 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 і ЗО см 
(малюнки 3.14-3.16).
Графіки залежності напруги, часу і осідання пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі в просторі показані на малюнку 3.17.
66
Мал. 3.14. Перетин прорізів Мал. 3.15. Перетин прорізів пристрою 
пристрою для регулювання для регулювання вертикального 
вертикального положення будівлі в положення будівлі в просторі на висоті 
просторі на висоті 3 см. ЗО см.
Мал. 3.16. Робота пристрою для регулювання вертикального положення будівлі 
в просторі при перетині прорізів на позначці 27 см.
Мал. 3.17. Час висипання піску для досягнення заданого осідання, створюваного 
шляхом перетину прорізів на певній величині від 3 см до ЗО см.
67
Встановлено, що положення отвору (перетин прорізів в трубах) по висоті 
пристрою практично не впливає на його технологічні параметри, пов'язані з
коригуванням споруди.
Встановлено, що термін його роботи для досягнення заданої величини його 
осідання практично не залежить від рівня напружень в піску. Так, наприклад, для 
досягнення осідання пристрою ЗО см час роботи становить 1600 с або приблизно 
16 хвилин. При цьому швидкість осідання складає приблизно 0.2 мм/с.
Повільну швидкість осідання пристрою слід віднести до його переваг. 
Перш за все це дозволяє забезпечити керованість і надійність процесу 
коригування просторового положення будівлі.
На малюнку 3.18 показана залежність швидкості витікання піску в 
залежності від напруги. Швидкість витікання піску перевірялася при величині 
відкриття отворів на висоті 3 см, 15 см і ЗО см і обчислювалася за формулою:
У = 8Н (3.1)
де: 8 - величина осідання піску в пристрої;
І-час висипання піску.
Мал. 3.18. Залежність швидкості витікання піску від величини напруги при 
перетині отворів на величині 3 см, 15 см і ЗО см.
Слід звернути увагу на кінематику роботи пристрою. Спочатку отвір 
відкривається в його верхній частині на висоті 3 см. Після висипання піску з 
верхнього шару пристрою висотою 3 см отвір зміщується на позначці 6 см, що 
забезпечує витікання піску з пристрою до цієї позначки. Послідовно зміщуючи 
отвори на 3 см досягають загальну осадку пристрою ЗО см. Таким чином, в 
проведених дослідах висота розташування отвору є змінною величиною. Така 
кінематика роботи пристрою дозволяє обмежувати його максимальне осідання
68
завданням висоти розташування отвору для витікання піску. Останнє є важливою 
технологічною перевагою пристрою.
Результати аналізу дослідження залежностей між величиною осідання 
часом роботи пристрою при різних рівнях напруги в піску зведені в табл. 3.6.
Таблиця 3.6 Залежність між величиною осідання і часом роботи пристрою при 
зізних рівнях напруги
Висота перетину отворів, см
Напруження, 3 6 9 12 15 18 21 24 27 зо
МПА Час висипання піску, с
1.5 161.8 164.2 163.1 162.8 164.2 161 163.7 162 165.6 168.9
Загальний 326 489.2 652 816 977 1140 1302 1468 1637
час, с
3.5 159.3 167 159.4 160.8 162.5 160 167.6 159.4 161 164.4
Загальний 326.1 485.5 646.6 808.8 968 1136 1296 1456 1621
час, с
157.2 160.1 159.8 160.2 161 159 161 159.6 159.9 160.2
7.5
Загальний 317.4 477 637.2 798.2 957 1119 1278 1437 1598
час, с
150.9 153.2 154.9 153.5 154.4 154 154.2 155.1 153.2 152.5
20
Загальний 304.1 459.4 612.6 767.2 921 1075 1231 1388 1536
час, с
Таким чином, результати аналізу експерименту показали, що швидкість 
витікання піску різниться незначно в межах 6% при напрузі від 1.5 МПа до 20 
МПа. Це пов'язано з тим, що пісок після попереднього навантаження був 
деформований, а осідання відбувається не за рахунок дроблення частинок, за 
рахунок перегрупування часток піску, так як зменшується обсяг робочого тіла 
після витікання піску з отворів. На процес перекомпонування частинок піску 
величина напружень істотно не впливає, так як перекомпонування частинок 
відбувається при мінімальній величині навантаження.
Також виявлено, що висота перетину отворів не впливає на швидкість витікання 
піску з пристрою, так як пісок має однакове ущільнення по всій висоті пристрою 
для регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
69
Висновки до розділу 3.
На основі аналізу проведених досліджень можна зробити наступні основні 
висновки:
1. При проектуванні пристрою необхідно враховувати деформації піску від 
власної ваги споруди. При цьому слід обмежувати напруги в піску від ваги 
споруди величиною 20 МПа. Для розрахунків будівельного осідання 
допускається прийняти модуль деформації піску в умовах компресійного стиску 
400 МПа. Для зменшення будівельних осідань рекомендується проводити 
попереднє ущільнення піску в пристрої віброштампом. Експериментально 
встановлено, що вплив таких чинників як зерновий склад піску і його вологість 
до 15% практично не впливають на його ущільнення під навантаженням. Цей 
вплив оцінюється величиною не більше 10%.
2. Напружено-деформований стан піску при відносно невисокій вологості (3
15%) в умовах компресійного стиску залежить від вихідного коефіцієнта 
пористості і власне самої вологості. Вплив вологості на НДС піску при 
статичному навантаженні пов'язаний з дією капілярних сил. Залежно від 
пористості ці капілярні сили можуть збільшити силу зчеплення вологих часток 
піску, тим самим підвищуючи стійкість до деформації. Деформованість піску при 
навантаженні може стримуватися водою в порах в залежності від вологості. 
Вплив злежуваності на поведінку піску під навантаженням, на відміну від 
ненавантаженого піску, буде незначним. В таких умовах, більш вологий пісок має 
меншу деформативність в порівнянні з сухим піском, аж до вологості, пов'язаної 
зі значним витісненням води з пор.
3. За результатами випробувань можна виділити чотири характерні області 
напружено-деформованого стану піску в залежності від рівня напруги і часу 
навантаження:
Область 1: Рівень напружень в даній області є недостатнім для подолання 
кінетичного тертя між окремими частинками піску. Таким чином, на даній 
ділянці відбувається пружне стиснення окремих частинок.
Область 2: При напрузі в діапазоні від 0.1 МПа до 7.5 МПа долається кінетичне 
тертя між окремими частинками і пісок починає деформуватися за рахунок того, 
що окремі частинки піску ковзають і скочуються в порожнині. НДС в цій зоні є 
непружним, що характеризується залишковою деформацією піску.
Область 3: При напрузі від 7.5 МПа до 14.71 МПа відбувається перегрупування 
частинок в пустотах, що призводить до більш щільного компонування, через що 
збільшуються контактні точки між частинками піску. Ковзання і скочування 
окремих частинок стає все важче, і спостерігається зміцнення.
Область 4: На високих рівнях напруги (більше 14.71) окремі частинки піску 
починають дробитися, що дозволяє піску подальшу деформацію за рахунок
70
осідання, тим самим зменшується опір стисненню. Це призводить до ще більш 
щільному розташуванню частинок піску.
4. Експериментальними дослідженнями підтверджена працездатність пристрою 
для коригування просторового положення будівлі. Встановлено, що час для 
досягнення заданого осідання за рахунок висипання піску з пристрою практично 
не залежить від рівня навантаження в піску, його вологості і розташування 
отворів для висипання піску по висоті пристрою. Середня швидкість осідання 
пристрою становить 0.2 мм/с.
5. Результати експерименту показують незначний вплив напруги в піску на 
величину осідання пристрою за рахунок висипання піску з отвору (менше 10%). 
Це пов'язано з тим, що обсяг висипання піску залежить від бічних тисків і 
розмірів отвору для висипання робочого тіла (піску). При досить малих отворах 
збільшення бічних тисків не призводить до суттєвої швидкості витікання. 
Поперечний переріз отвору є в даному випадку фільтром, відтинаючим вплив на 
закінчення надлишкових бічних тисків. Існує, очевидно, початковий критичний 
тиск, нижче якого процес висипання не відбувається. У проведених дослідах це 
бічний тиск, відповідне вертикальним напруженням 1.5 МПа.
6. Встановлено, що висота перетину прорізів в трубах не впливає на швидкість 
витікання піску з пристрою, так як пісок при роботі пристрою має однакові бічні 
тиски в зоні його висипання з отвору.
Важливою конструктивною особливістю пристрою є передача 
навантаження на пісок через конічний штамп. Саме конічна форма штампу 
дозволяє створювати бічні тиски, достатні для висипання піску з отвору. Висота 
конуса повинна бути не менше величини розрахункового осідання пристрою на 
ступені, яка в дослідах становить ЗО мм. Робота пристрою завжди повинна 
починатися з відкриття отвору в зоні розташування конічного наконечника 
штампу. При інших режимах роботи пристрою може відбуватися заклинювання 
піску в отворі через недостатніх бічних тисків в піску. Таким чином, кінематика 
пристрою дозволяє із заданою точністю контролювати розрахункову осадку на 
ступенях коригування положення будівлі.
При цьому розрахункова величина осідання задається кутом повороту зовнішньої 
труби, який встановлює отвір для висипання піску на заданій висоті. У 
проведених дослідах розрахункове осідання ЗО мм досягалося за 160 сек. роботи 
пристрою. Послідовне зміщення положення отвору по висоті пристрою дозволяє 
досягти сумарне осідання 300 мм за 1600 сек.
71
РОЗДІЛ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ 
ЕЛЕМЕНТІВ КАРКАСУ БУДІВЛІ ПРИ РОБОТІ ПРИСТРОЮ ДЛЯ 
ВИРІВНЮВАННЯ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД
Метою цього розділу є дослідження ефективності роботи пристрою для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі і дослідження НДС 
конструктивних елементів будівлі при виправленні крену будівлі за допомогою 
даного пристрою.
Для досягнення зазначених цілей розглядається кілька способів 
застосування пристрою для коригування положення будівлі в просторі: 
одноетапне і багатоетапне вирівнювання будівлі. Пошук оптимального рішення 
застосування пристрою з розглянутих здійснюється методами чисельного 
моделювання.
Заходи щодо вирівнювання будівель і споруд, які зазнають наднормативний крен, 
недостатньо відображені в нормативній літературі. Тому дослідження і 
вдосконалення методів розрахунку конструкцій будівель і споруд з 
наднормативним креном, є актуальними. Виявлення більш економічних і 
раціональних заходів по вирівнюванню будинків і споруд дозволить підвищити 
надійність при будівництві багатоповерхових будівель в складних інженерно- 
геологічних умовах.
Дослідження виконані відповідно за методиками, представленими в розділі 2.2 
4.1 Дослідження напружено-деформованого стану елементів каркасного 
будинку при одноетапному вирівнюванні на територіях зі складними 
інженерно-геологічними умовами
Реалізацію основних положень з проектування будівель і споруд в 
складних інженерно-геологічних умовах будівництва пропонується здійснювати 
відповідно до блок-схеми численних досліджень (малюнок 2.16). Метою 
варіантних розрахунків в даному випадку є визначення розрахункових зусиль і 
переміщень в розглянутих конструкціях будівель і споруд, що зазнають 
наднормативний крен, і визначення за результатами цих розрахунків техніко- 
72
економічних показників досліджуваних варіантів конструктивних заходів по 
вирівнюванню будинків за допомогою пристрою для регулювання вертикального 
положення будівлі в просторі. Для виконання розрахунків на задані 
навантаження і впливи використовуються програмні комплекси ЛІРА і 8АР2000. 
Жорсткістні параметри елементів каркаса задаються програмно по їх перетинах і 
модулю пружності бетону. Таким чином, вирішується пружне завдання щодо 
конструкцій надземної будови. Для фундаментної плити попередньо 
обчислюються коефіцієнти жорсткості основи Сг. При розрахунку 
фундаментних конструкцій у вигляді суцільної плити застосовуємо модель 
основи у вигляді лінійно-деформованого півпростору. Розрахунок фундаментних 
конструкцій досліджуваної будівлі виконується з урахуванням спільної роботи 
фундаменту з верхньою будовою. Тут використана спрощена методика, 
обґрунтована в розділі 2.2. Коефіцієнт жорсткості основи Сіг обчислюється як 
відношення рівномірно розподіленого навантаження Р по площі суцільної 
фундаментної плити до опадів лінійно деформованого шару 8.
Сг = Р/8, (4.1)
де: Р - рівномірно розподілене навантаження по площі суцільної фундаментної 
плити; 8 - осідання основи.
Розрізи будівлі по поперечним і поздовжнім осям представлені на малюнках 4.1 
і 4.2.
73
ги=іяиіюдюа 
Мал. 4.1. Розріз уздовж осей 1-9 досліджуваної будівлі. План будівлі 
представлений на малюнку 2.15.
74
Мал. 4.2. Розріз уздовж осей А-І досліджуваної будівлі. План будівлі 
представлений на малюнку 2.15.
Вітрові навантаження в розрахунках не враховуються.
Для першого етапу дослідження були задані постійне і тимчасове навантаження 
(див. п. 2.2.1.). Результати розрахунків для першого етапу досліджень наведені на 
малюнку 4.3. Крен на другому етапі задається за допомогою навантаження типу 
«переміщення», заданої в необхідні вузли фундаментної плити в залежності від 
розташування крену. Максимальна величина задаваемого вимушеного осідання 
дорівнює ЗО см (по осі колон А). Для кожного ряду наступних колон величина 
задаваемого осідання зменшується (див. табл. 2.2).
75
Епюри зусиль в елементах каркаса від вимушених переміщень основи на другому 
етапі дослідження представлені на малюнку 4.3.
На третьому етапі проводиться моделювання вирівнюючого регулювання за 
допомогою додатка навантаження в вузол між пристроєм і колоною в 
протилежному напрямку крену. Навантаження попередньо розраховується для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі відповідно з креном 
зазначені навантаження представлені в розділі 2.2.1, таблиця 2.2.
К N
у//ДЧ.<М
® 53 " ^ л?- V."
П 
- 'І ^ Л V- ' ад» '?^Є>^7
■■ ■*' Л^ >• ;
М”/////*Ш’ 
МШ*^’
М’хда^^* 
ІмЖш^^^^'’  
Ьч^Ж.7^'* 
. Л А Ф . г Ж^^^їк ' "ЛЛ^Л' ’
1 І ^^‘^А7( г 
г к
Е ^^й їіКв** гк  к
ч А $ ф і ф ^ * 
И ^4ФІ5^
і^-^Ш’і'
1 Г
Зовнішнє Крен будівлі Виправлення крену
навантаження 
(перший етап) (другий етап) (третій етап)
Мал. 4.3. Епюри згинальних моментів в конструкціях каркасного будинку на 
плитному фундаменті в ПК ЛІРА.
За отриманими результатами різноманітних розрахунків будуються епюри 
згинальних моментів для кожного з розглянутих етапів теоретичного 
дослідження (малюнки 4.4,4.5).
76
Зовнішнє Крен будівлі Виправлення крену
навантаження 
(перший етап) (другий етап) (третій етап)
Мал. 4.4. Епюри згинальних моментів в колонах на трьох етапах теоретичного 
дослідження.
77
Зовнішнє Крен будівлі Виправлення крену
навантаження 
(перший етап) (другий етап) (третій етап)
Мал. 4.5. Епюри згинальних моментів в балках на трьох етапах теоретичного 
дослідження.
Розташування досліджуваних елементів каркасного будинку показані на 
малюнку 4.6.
Мал. 4.6. Розташування досліджуваних елементів каркасного будинку на 
плитному фундаменті У ПК 8АР2000 і ПК ЛІРА.
78
Аналіз результатів дослідження в ПК ЛІРА показав, що характерний 
вигинаючий момент в елементах каркасного будинку збільшується за 
абсолютною величиною на 95% при отриманні будівлею крену і зменшується на 
70% на етапі вирівнювання.
Аналіз результатів досліджень в ПК 8АР2000 показав, що характерний 
вигинаючий момент в елементах каркасного будинку збільшується за 
абсолютною величиною на 97% при отримання будівлею крену і зменшується на 
72,5% на етапі вирівнювання (малюнок 4.7, 4.8).
-Ф-ПК ЛИРА
-*-ПК$АР2000
Мал.4.7. Згинальний момент в колоні нижнього поверху в ПК 8АР2000 і в ПК 
ЛІРА.
—♦—ПКЛИРА
-•-ПК$АР2000
Етан дослідження
Мал. 4.8. Згинальний момент в ригелі нижнього поверху в ПК 8АР2000 і в ПК 
ЛІРА.
79
На підставі аналізу проведених досліджень можна зробити наступні 
основні висновки. На другому етапі дослідження при отриманні будівлею 
вимушеного крену зусилля в елементах будівлі зростають на 95-97%. На 
третьому етапі теоретичного дослідження при виправленні крену будівлі зусилля 
в елементах будівлі зменшуються на 70-75% в порівнянні з другим етапом. 
Різниця між зусиллями, отриманими в ПК Ліра і ПК САР2000 становить 2-2,5%. 
4.2 Дослідження напружено-деформованого стану елементів каркасного 
будинку при багатоетапному вирівнюванні на територіях зі складними 
інженерно-геологічними умовами
У зв'язку з тим, що одночасне вирівнювання будівлі по всіх осях на повну 
величину нерівномірного осідання не представляється технічно можливим, 
необхідно розглянути варіанти вирівнювання елементів каркасу в поетапному 
режимі. Для цього розглянемо дві схеми вирівнювання. Перша схема включає 
поетапне вирівнювання елементів каркаса по 3-6 см на загальну величину ЗО см. 
Друга схема передбачає поетапне вирівнювання по осях колон на повну величину 
ЗО см. Результати зусиль при різних схемах вирівнювання порівнюються між 
собою.
Як об'єкт дослідження було прийнято 14 поверхова будівля з 
технологічним поверхом, в якому розміщується досліджуваний пристрій. Висота 
типового поверху 3 метри, крок колон 6 м.
Збірний залізобетонний каркас будівлі складається з поперечних рам, 
об'єднаних в просторову систему плитами перекриття і покриття. До складу 
каркаса входять: фундаментна плита, колони, ригелі, фундаментні балки, плити 
покриття та перекриття. Фундамент прийнятий у вигляді монолітної 
залізобетонної плити товщиною 1.1 м. Колони застосовані збірні залізобетонні 
прямокутного перерізу з розміром перетину 400 х 400 мм. Плити перекриття і 
покриття прийняті збірні залізобетонні багатопустотні.
Жорсткістні параметри елементів каркаса задаються в ПК LIRA програмно 
по їх перетинах і модулю пружності бетону. Таким чином в теоретичних 
дослідженнях вирішується пружне завдання щодо надземних конструкцій. Плита 
змодельована пластинчастим кінцевим елементом, товщиною 1.1 м. Ригелі і 
колони змодельовані стрижневим кінцевим елементом перетином 40 х 40 см. 
Матеріал - бетон класу по міцності С20/25. Пристрій являє собою сталеву трубу 
діаметром 42 см з товщиною стінки 6.5 мм. Для фундаментної плити попередньо 
обчислюються коефіцієнти жорсткості основи Ciz. Розрахункова схема 
досліджуваної будівлі в ПК LIRA представлена у вигляді ансамблю кінцевих 
елементів. Вітрові навантаження в розрахунках не враховуються.
Перші два етапи (корисне навантаження і початковий крен будівлі) однакові для 
обох схем по вирівнюванню будівлі, як по 3-6 см, так і по 30 см.
Для першого етапу дослідження були задані постійне і тимчасове навантаження.
80
На другому етапі дослідження в ПК LIRA задається навантаження типу 
"переміщення" по ряду крайніх колон будівлі, що дорівнює ЗО см, в вузлах 
сполучення пластинчастих КЕ, що моделюють роботу фундаментної плити, і 
стрижнів, що моделюють роботу пристрою для коригування геометричного 
положення будівлі в просторі.
На всіх наступних етапах дослідження здійснюється вирівнювання 
геометричного положення будівлі за допомогою застосування розробленого 
пристрою для регулювання вертикального положення будівлі в просторі. На 
кожному етапі в стрижень, що моделює пристрій для коригування вертикальності 
конструкції, прикладається навантаження "рівномірний нагрів", за допомогою 
якого моделюється процес вирівнювання зміною висоти стрижня. Для того щоб 
зусилля, які виникають в елементах конструкції під час вирівнювання будівлі, не 
перевищували максимально допустимих, навантаження "рівномірний нагрів" 
прикладається поетапно, починаючи з осі колон з найбільшою величиною 
осідання.
Розглянемо схему виправлення крену будинку поетапно на 3-6 см за допомогою 
стрижня, який моделює роботу пристрою.
Схема моделювання даного процесу передбачає 2 попередніх етапу 
навантаження і 14 етапів вирівнювання відповідно до прикладаємого 
навантаження "рівномірний нагрів" по таблиці 2.3.
Для того, щоб визначити кількісний показник зміни зусиль при виправленні 
крену будівлі, розглянемо найбільш навантажену раму конструкції при зміні 
вертикального положення в просторі на всіх етапах дослідження (малюнок 4.9).
-f4
іпі ЇЙ
glllUM.Hi
—= _
Гі
Мал.4.9. Елементи каркаса будівлі, в яких розглядається зміна зусиль.
За отриманими результатами різноманітних розрахунків будуються 
графіки зміни згинальних моментів для кожного з розглянутих етапів 
81
вирівнювання будівлі. На малюнку 4.10 наведено графік для елемента з 
максимальним значенням згинальних моментів.
Несуча спроможність розглянутого залізобетонного елемента по вигинаючому 
моменту становить 1150 кНхм.
В процесі завдання крену будівлі розрахункові зусилля в зазначеному елементі в 
5-6 разів перевищують його несучу здатність по вигинаючому моменту. Це 
призводить до руйнування нормального перетину з плинністю арматури. 
Оскільки дослідження в пружному постановленні, процес руйнування 
конструкцій при завданні крену будівлі не враховується. При цьому контроль 
допустимих зусиль в конструкціях виконується на етапі після повного 
вирівнювання будівлі з графіка на малюнку 4.10 слід, що несуча здатність 
розглянутого конструктивного елемента відновлюється на 7-му етапі 
дослідження після повного вирівнювання будівлі зусилля в контрольному 
елементі практично не відрізняються від їх значень при дії корисного 
навантаження. Останнє свідчить про ефективність даної схеми вирівнювання
Мал. 4.10. Максимальний згинальний момент Му в елементах 1-10 при 
багатоетапному вирівнюванні по 3-6 см в ПК Ліра.
Розглянемо максимальне значення згинального моменту Му в елементах 1-10 на 
всіх етапах дослідження, а також процентне співвідношення зміни моменту на 
кожному етапі в порівнянні з попереднім. Для цього зведемо значення в таблицю 
4.1. Розташування елементів з максимальним значенням згинального моменту Му 
показано на малюнку 4.11.
82
Таблиця 4.1 Максимальний згинальний момент в конструктивних елементах 
будівлі при багатоетапному виправленні крену по 3-6 см
Етап дослідження Згинальний момент Порядковий номер Процентне співвідношення
Му, кН х м елемента
1 20.45 1
2 7769 2 збільшився на 1114%
3 5902 3 зменшився на 29%
4 6018 3 Збільшився на 6%
5 4374 3 зменшився на 27%
6 2727 3 зменшився на 60%
7 1088 3 зменшився на 60%
8 953 4 зменшився на 12%
9 989 5 збільшився на 3%
10 960 6 зменшився на 3%
11 1027 7 збільшився на 6%
12 992 8 зменшився на 3%
13 1064 9 збільшився на 3%
14 1202 7 збільшився на 12%
15 672 10 зменшився на 44%
16 79.4 7 зменшився на 89%
Таким чином, спостерігається зменшення згинального моменту практично 
на кожному етапі дослідження. Отже, робота пристрою при його осіданні на 3-6 
см на кожному етапі дослідження веде до поетапного зменшення згинального 
моменту, що позитивно впливає на НДС елементів каркасного будинку на 
плитному фундаменті.
Мал. 4.11. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення згинального моменту Му.
83
За отриманими результатами розрахунків побудовані графіки зміни 
поздовжніх зусиль для кожного з розглянутих етапів вирівнювання будівлі 
(малюнки 4.12,4.13).
Розглянемо максимальне значення поздовжньої сили N в елементах 1-12 на всіх 
етапах дослідження. Для цього зведемо значення в таблицю 4.2. Розташування 
елементів з максимальним значенням поздовжньої сили N показано на малюнку 
4.14.
Мал. 4.12. Максимальна розтягувальна поздовжня сила N в елементах 1-12 при 
багатоетапному вирівнюванні по 3-6 см.
Мал.4.13 Максимальна стискальна поздовжня сила N в елементах 1-12 при 
багатоетапному виправленню 3-6 см
84
Таблиця 4.2 Максимальна розтягувальна і стискальна сили в конструктивних
елементах будівлі при багатоетапному виправленні крену по 3-6
Етап Макс.розтягувальна Порядковий номер Макс. стискальна Порядковий 
дослідження поздовжня сила Ы, кН елемента поздовжня сила 14, кН. номер елемента
1 6.2 1 -1144 10
2 11143 2 -10094 11
3 9786 2 -10052 11
4 9079 2 -8295 11
5 6279 2 -4723 11
6 3459 2 -4041 5
7 1089 3 -4086 5
8 1838 4 -4092 6
9 1827 4 -4064 7
10 1823 5 -4077 7
11 1580 5 -2882 2
12 1932 6 -3452 12
13 1697 6 -4245 12
14 2036 7 -2036 12
15 504 8 -2052 12
16 16.22 9 -1257 5
^1
2 ✓ 11 ,3 ✓10
±1— *4*«» #И*!*•*«
Мал. 4.14. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення поздовжньої сили N.
Спостерігається зменшення поздовжньої сили практично на кожному етапі 
дослідження. Також виявлено виникнення розтягуючого зусилля, викликаного 
перерозподілом зусиль, яке на останньому етапі вирівнювання практично 
наближається до нуля. Отже, робота пристрою при його осіданні на 3-6 см на 
кожному етапі дослідження веде до поетапного зменшення поздовжньої сили, що 
позитивно впливає на НДС елементів каркасного будинку на плитному 
фундаменті.
85
За отриманими результатами розрахунків побудовані графіки зміни поперечних 
сил в елементах 1-6 для кожного з розглянутих етапів вирівнювання будівлі 
(малюнок 4.15).
Розглянемо максимальне значення поперечної сили р в елементах 1-6 на всіх 
етапах дослідження, а також процентне співвідношення зміни зусилля на 
кожному етапі в порівнянні з попереднім. Для цього зведемо значення в таблицю 
4.3. Розташування елементів з максимальним значенням поперечної сили О 
показано на малюнку 4.16.
Етап долідження
Мал. 4.15. Максимальна поперечна сила Р в елементах 1-6 
при багатоетапному вирівнюванні по 3-6 см в ПК Ліра.
Таблиця 4.3 Максимальна поперечна сила в конструктивних елементах будівлі 
при багатоетапному виправленні крену по 3-6 см__________________________
Порядковий 
Етап дослідження Процентне
Поперечна сила номер 
Р,кН елемента співвідношення
і -24 1
2 -5238 2 збільшилася на 1114%
3 -3861 2 зменшилася на 29%
4 -4011 2 збільшилася на 4%
5 -2921 2 зменшилася на 27%
6 -1823 2 зменшився на 37%
7 -732 2 зменшилася на 60%
8 -654 3 зменшилася на 11%
86
9 -679 4 збільшилася на 4%
10 -653 3 зменшилася на 4%
11 -425 3 зменшилася на 35%
12 -377 5 зменшилася на 11%
13 -347 6 зменшилася на 8%
14 -298 6 зменшилася на 14%
15 -115 6 зменшилася на 61%
16 -65 6 зменшилася на 43%
z6
7і ... >5
1 у лі р-и.іс і |«»««<«M.fl
Мал. 4.16. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення поперечної сили Q.
Спостерігається зменшення поперечної сили практично на кожному етапі 
дослідження. Отже, робота пристрою при його осіданні на 3-6 см на кожному 
етапі дослідження веде до поетапного зменшення поздовжньої сили, що 
позитивно впливає на НДС елементів каркасного будинку на плитному 
фундаменті.
Для порівняльного аналізу розглянута схема вирівнювання будівлі шляхом 
поетапного опускання рядів колон на повну осадку ЗО см.
Для першого етапу дослідження були задані постійне і тимчасове навантаження, 
так само як і в попередньому експерименті.
На другому етапі дослідження в ПК LIRA задається навантаження типу 
"переміщення" по ряду крайніх колон будівлі, що дорівнює ЗО см в вузлах 
сполучення пластинчастих КЕ, що моделює роботу фундаментної плити, і
87
стрижнів, що моделюють роботу пристрою для коригування геометричного 
положення будівлі в просторі.
На наступних етапах дослідження здійснюється вирівнювання 
геометричного положення будівлі за допомогою застосування розробленого 
пристрою для регулювання вертикального положення будівлі в просторі. 
Моделювання вимушених переміщень несучих конструкцій, що створюються за 
допомогою запропонованого пристрою, виконується шляхом завдання в КЕ 
температурних деформацій, які визначаються в програмному комплексі ЛІРА як 
"рівномірний нагрів". На наступних етапах навантаження "рівномірний нагрів" 
прикладається в елементи по осях 2-10 відповідно до таблиці 2.4.
За отриманими результатами різноманітних розрахунків будуються графіки 
зміни згинальних моментів для кожного з розглянутих етапів вирівнювання 
будівлі (малюнок 4.17). Розташування елементів з максимальним згинальним 
моментом Му показано на малюнку 4.18.
Етап дослідження
Мал. 4.17. Максимальне значення згинального моменту Му в елементах 1-10 при 
багатоетапному вирівнюванні по ЗО см в ПК Ліра.
Розглянемо максимальне значення згинальних моментів в елементах 1-11 
на всіх етапах дослідження, а також процентне співвідношення зміни згинальних 
моментів на кожному етапі в порівнянні з зі значеннями згинальних моментів на 
попередньому етапі. Для цього зведемо значення в таблицю 4.4.
88
Таблиця 4.4 Максимальний згинальний момент в конструктивних елементах
будівлі при багатоетапному виправленні к зену по ЗО см
Згинальний момент 
Етап дослідження Порядковий номер Процентне співвідношення
Му, кН*м елемента
1 20.45
1
2 7769 2 збільшився на 1114%
3 8181 3 збільшився на 5%
4 8534 4 збільшився на 4%
5 8179 5 зменшився на 5%
6 8549 6 збільшився на 5%
7 8185 7 зменшився на 5%
8 8545 8 збільшився на 5%
9 8171 9 зменшився на 5%
10 8522 10 збільшився на 4%
11 7846 10 зменшився на 8%
12 20.76 1 зменшився на 99%
1 Л Л .5 Л дґ8
-2 І р« *«^'»ж» » | 1 »«*« ^ »«**(
Мал. 4.18. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення згинального моменту Му.
89
З таблиці випливає, що при поетапному вирівнюванні осей колон на ЗО см 
в елементах конструкцій будівлі виникають значні додаткові зусилля, що може 
призвести до руйнування окремих конструкцій або всієї будівлі.
За отриманими результатами розрахунків побудовані графіки зміни 
поздовжніх зусиль для кожного з розглянутих етапів вирівнювання будівлі 
(малюнки 4.19,4.20).
Розглянемо максимальне значення поздовжньої сили N на всіх етапах 
дослідження. Для цього зведемо значення в табл. 4.5. Розташування елементів з 
максимальним значенням поздовжньої сили N показано на малюнку 4.21.
Етап дослідження
Мал. 4.19. Максимальна розтягуюча поздовжня сила N в елементах 1-12 при 
багатоетапному вирівнюванні по ЗО см в ПК Ліра.
18000 
17000 
16000 
15000 
_ 14000 
* 13000 
2 12000 
£ 11000 
5 юооо 
т 9000 
2 8000 
§ 7000 
ч 6000 
а. 5000 
Е 4000
3000 
2000 
1000 
о
0 1 2 З 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Етап дослідження
Мал. 4.20. Максимальна стискальна поздовжня сила N в елементах 4-13 при 
багатоетапному вирівнюванні по ЗО см в ПК Ліра.
90
Таблиця 4.5 Максимальна розтягувальна і стискальна зусилля в конструктивних 
елементах будівлі при багатоетапному виправленні крену по ЗО см
Порядковий номер Макс. 
Етап дослідження Макс. розтягувальна Порядковий 
елемента стискальна 
поздовжня сила N, кН номер 
поздовжня сила 
N. H елемента
k
1 6.2 1 -1144 9
2 11143 2 -10094 5
3 7004 3 -16251 5
4 14067 4 -10118 4
5 7860 5 -16314 7
6 14057 6 -10126 6
7 7850 7 -16327 9
8 14045 8 -10098 11
9 7842 9 -16305 10
10 13999 10 -7996 12
11 7857 11 -12969 13
12 50 12 -1257 6
З таблиці слідує, що при поетапному вирівнюванні осей колон на ЗО см в 
елементах конструкції будівлі виникають значні додаткові зусилля, що може 
призвести до руйнуваніїя окремих конструкцій або всієї будівлі. Також виявлено 
виникнення розтягуючого зусилля, викликаного перерозподілом зусиль, яке на 
всіх етапах дослідження залишається практично незмінним.
Мал. 4.21. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення поздовжньої сили N.
91
Отже, робота пристрою при його осіданні на ЗО см на кожному етапі 
дослідження веде до значного збільшення поздовжньої сили, що негативно 
впливає на НДС елементів каркасного будинку на плитному фундаменті, а також 
може призвести до ще більшої деформації в елементах каркаса і навіть до 
руйнування будівлі.
За отриманими результатами розрахунків побудовані графіки зміни 
поперечних сил для кожного з розглянутих етапів вирівнювання будівлі 
(малюнок 4.22).
Розглянемо максимальне значення поперечної сили О в елементах 1-11 на всіх 
етапах дослідження, а також процентне співвідношення зміни зусилля на 
кожному етапі в порівнянні з попереднім. Для цього зведемо значення в таблицю 
4.6. Розташування елементів з максимальним значенням поперечної сили Q 
показано на малюнку 4.23
Мал. 4.22. Максимальне значення поперечної сили 9 в елементах 1-11 при 
багатоетапному вирівнюванні по ЗО см в ПК Ліра.
92
Таблиця 4.6 Максимальна поперечна сила в конструктивних елементах будівлі 
при багатоетапному виправленні крену по ЗО см
Порядковий Процентне співвідношення
Етап дослідження Поперечна сила Р, кН номер елемента
1 -24 1
2 -5238 2 збільшилася на 21725%
3 -5574 3 збільшилася на 6%
4 -5595 4 збільшилася на 4%
5 -5575 5 зменшилася на 4%
6 -5605 6 зменшилася на 6%
7 -5578 7 зменшилася на 5%
8 -5602 1 збільшилася на 4%
1
1
1
11
1
1
/2 л Л/5 ^Ґ і
| ««««м Л »*«« | ],*>«(Зі***^
Мал. 4.23. Конструктивні елементи каркасного будинку в яких виникають 
максимальні значення поперечної сили р.
З таблиці слідує, що при поетапному вирівнюванні осей колон на ЗО см в 
елементах конструкції будівлі виникають значні додаткові поперечні сили, що 
може привезти до руйнування окремих конструкцій або всієї будівлі.
Отримані результати зусиль в елементах каркасного будинку при схемі 
вирівнювання поетапно на 3-6 см і поетапно на ЗО см необхідно порівняти, щоб 
визначити найбільш оптимальну схему вирівнювання за допомогою пристрою 
для регулювання вертикального положення будівлі в просторі (таблиця 4.7).
93
Таблиця 4.7 Порівняння згинальних моментів в конструктивних елементах при 
різних схемах вирівнювання
Згинальний момент Му, кН х м Згинальний момент 
Етап вирівнювання поетапно по ЗО см Му, кН х м, Процентне 
дослідження вирівнювання поетапно по 3-6 см співвідношення
1 20.45 20,45
2 7769 7769
3 8181 5902 27%
4 8534 6018 29%
5 8179 4374 46%
6 8549 2727 68%
7 8185 1088 86%
8 8545 953 88%
9 8171 989 87%
10 8522 960 88%
11 7846 1027 86%
12 20.76 992
13 1064
14 1202
15 672
16 20,76
З отриманих даних випливає, що при вирівнюванні будівлі поетапно по 3
6 см зусилля, які виникають в елементах каркаса будівлі з кожним етапом 
зменшуються на 30-60%. На відміну від цієї схеми, при схемі вирівнювання 
поетапно на ЗО см зусилля не тільки не зменшуються, а навпаки збільшуються на 
5%. Якщо порівнювати дані схеми, різниця в зусиллях становить 30-88% на 
різних етапах дослідження.
Таким чином, одним з головних якостей пропонованого пристрою є 
можливість регулювати величину осідання і можливість поетапного виправлення 
крену на необхідну величину, що в свою чергу розвантажує елементи конструкції 
і відновлює геометричне положення будівлі в просторі.
Висновки по розділу 4.
На основі проведених теоретичних досліджень можна зробити наступні 
висновки:
1. Досліджено три технологічні схеми просторового положення будівлі на двох 
об'єктах-представниках. Об'єктами-представниками є: 23-х поверховий
94
каркасний будинок на плитному фундаменті; 14-ти поверховий каркасний 
будинок на плитному фундаменті.
Максимальне нерівномірне осідання фундаментів в плані будівель склало у всіх 
випадках ЗО см. Виправлення просторового положення будівель здійснюється 
опусканням його частин до мінімально можливого нерівномірного осідання.
2. Досліджена технологічна схема виправлення просторового положення 23-х 
поверхової будівлі шляхом одноетапного опускання його частин до позначки 
максимально просівшої частини фундаментів. Опускання частин будівлі на 
задану висоту здійснювалося прикладанням заздалегідь розрахованих 
навантажень до елементів, що моделюють роботу пристрою для виправлення 
крену будинку.
Теоретичними дослідженнями встановлено, що при отриманні будівлею 
вимушеного крену зусилля в елементах будівлі зростають на 95-97%. На етапі 
теоретичного дослідження при виправленні крену будівлі, зусилля в елементах 
будівлі зменшуються на 70-75% в порівнянні раніше досягнутими. Різниця між 
зусиллями, отриманими в ПК ЛІРА і ПК 8АР2000, становить 2-2.5%.
3. Досліджено технологічну схему виправлення просторового положення 14-ти 
поверхового будинку шляхом багатоетапного опускання його менш просівших 
частин на 3-6 см. Опускання частин будівлі моделювалося зменшенням висоти 
елементів, що моделюють компенсаційний пристрій, за допомогою завдання 
температурної деформації. При багатоетапному вирівнюванні по 3-6 см, 
спостерігається зменшення зусиль на кожному етапі дослідження на 30-60%. 
Таким чином, робота пристрою при його осіданні на 3-6 см на кожному етапі 
вирівнювання призводить до поетапного зменшення зусиль, що позитивно 
впливає на НДС елементів каркасного будинку на плитному фундаменті.
4. Досліджено технологічну схему виправлення просторового положення 14-ти 
поверхового будинку шляхом послідовного багатоетапного опускання його 
частин по осях колон на повну величину нерівномірного осідання. Опускання 
частин будівлі здійснювалося завданням температурної деформації в елементах, 
що моделюють пристрій для виправлення крену. При поетапному вирівнюванні 
осей колон на ЗО см в елементах конструкції будівлі виникають значні додаткові 
зусилля, що може призвести до руйнування окремих конструкцій або всієї 
будівлі. При цьому в процесі вирівнювання будинку зусилля в конструкціях не 
тільки не зменшуються, а навпаки збільшуються на 5-7%. НДС конструкцій 
будівлі стабілізується тільки на останньому етапі вирівнювання, коли 
фундаменти всіх колон розташовуються на одній позначці.
5. Теоретичними дослідженнями встановлено, що найбільш ефективною 
технологічною схемою виправлення просторового положення будівлі є схема 
багатоетапного одночасного опускання менш просівших частин будівлі на 3-6 см 
до досягнення горизонтального положення надземних конструкцій. При вказаній
95
схемі зусилля в конструкціях, отриманих в результаті нерівномірних осідань 
основи, монотонно зменшуються до їх значення при відсутності нерівномірних 
осідань основи. Таким чином, конструкції будівель при виправленні його 
положення в просторі не відчувають додаткових перевантажень. Зазначена 
технологічна схема кореспондується з технічними особливостями пристрою для 
виправлення крену будинку. Ці технічні особливості полягають в тому, що 
пристрій для виправлення крену будинку є дискретною системою. В процесі своєї 
роботи воно налаштовується на дискретну осадку, рівну приблизно 3-4 см, 
шляхом розміщення по висоті отвору для висипання піску. Після досягнення 
дискретного осідання активізація пристрою досягається зміщенням по висоті 
отвору для висипання піску на 3-4 см. Таким чином, реалізація технологічної 
схеми по виправленню просторового положення будівлі з використанням 
проаналізованого пристрою (пісочниці) здійснюється в напівавтоматичному 
режимі. При цьому кожен етап вирівнювання реалізується автоматично, а перехід 
до наступного етапу вирівнювання вимагає механічного налаштування 
пристрою.
96
РОЗДІЛ 5 РЕЗУЛЬТАТИВНІСТЬ ПРИЙНЯТИХ РІШЕНЬ В 
ТЕХНОЛОГІЯХ ВИРІВНЮВАННЯ ПО ВЕРТИКАЛІ БУДІВЕЛЬ І 
СПОРУД
5.1. Застосування технологій вирівнювання
Високі темпи будівництва, а також обсяг будівництва висотних будівель, 
постійно збільшується, що призводить до дефіциту територій, сприятливих для 
забудови. У зв'язку з цим все більшого значення набуває проблема будівництва і 
надійної експлуатації будівель і споруд в складних інженерно-геологічних 
умовах, в тому числі на підроблюваних територіях.
До таких умов можна віднести просадочні лесові, заторфовані, набухаючі, 
засолені, неоднорідні ґрунти, слабкі водонасичені глинисті ґрунти, закарстовані, 
що підробляються і зсувні території. Також до них відносяться ґрунти, в яких 
спостерігається зміна рівня ґрунтових і поверхневих вод і в яких відбуваються 
суфозні процеси.
Справжні рекомендації призначені для проектування заходів захисту будівель і 
споруд від впливу нерівномірних осідань основи, заснованих на виправленні 
просторового положення будівлі шляхом опускання його менш просівших 
частин. Процес опускання менш просівших частин будівлі реалізується за 
допомогою проаналізованого розробленого пристрою, що представляє собою 
вдосконалений варіант напівавтоматизованих пісочниць. Проаналізований 
пристрій в подальшому тексті рекомендацій марковано як ЛПА (лоток піщаний 
автоматизований).
При небезпеці виникнення надмірних деформацій земної поверхні і 
плануванні вирівнювання цих деформацій за допомогою пристрою для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі повинні виконуватися 
наступні вимоги, викладені в даних рекомендаціях.
Загальні положення
97
5.1.1. Рекомендації поширюються на проектування об'єктів промислового і 
цивільного будівництва, розташованих на територіях із складними інженерно- 
геологічними умовами.
5.1.2. При проектуванні будинків і споруд на територіях із складними інженерно- 
геологічними умовами слід користуватися чинними нормативними документами 
з урахуванням справжніх рекомендацій.
5.1.3. Справжні рекомендації призначені для експериментального проектування 
будівель і споруд на територіях із складними інженерно-геологічними умовами 
із застосуванням пристрою ЛПА для регулювання вертикального положення 
будівлі в просторі від нерівномірних осідань основи.
5.1.4. Особливу небезпеку для деяких будівель і споруд представляють такі 
деформації основи як провали, захист від яких вимагає застосування спеціальних 
методів проектування і розрахунків. Справжні рекомендації не поширюються на 
захист будівель від провальних деформацій.
5.1.5. Нерівномірні осідання можуть змінюватися в період експлуатації будівель 
і споруд, що необхідно враховувати при розробці проектної документації. У 
зв'язку з цим рекомендується передбачати систематичний моніторинг за станом 
деформованої основи і будівельних конструкцій будівель і споруд.
5.2. Конструктивні вимоги щодо проектування будівель з пристроєм для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі.
5.2.1. Багатоповерхові каркасні будинки, виправлення просторового положення 
яких здійснюється за допомогою пристрою ЛПА повинні включати наступні 
конструктивні елементи (малюнок 5.1):
- фундамент у вигляді суцільної залізобетонної плити з циліндричними 
виступами для фіксації пристрою ЛПА;
- система перехресних балок для обпирання колон надземної будови;
- пристрої ЛПА за спеціальним проектом, що встановлюються під вузлами 
системи перехресних балок;
98
- технологічні колони - штампи, передають вузлові навантаження від системи 
балок на пристрої ЛПА.
Між фундаментною плитою і системою перехресних балок має бути утворено 
технологічне підпілля розрахункової висоти.
Висота будівель в експериментальному будівництві не повинна перевищувати 16 
поверхів.
Мал. 5.1. Принципова схема фундаментної частини будівлі: 1 - фундаментна 
плита; 2 - система перехресних балок; 3 - пристрої ЛПА; 4 - колона - штамп; 5 - 
циліндричний виступ; 6 - конічний штамп; Н - висота технологічного підпілля; й8 
- висота робочого тіла в пристрої ЛПА; Ьк - зазор між верхом пристрою ЛПА і 
низом системи перехресних балок.
5.2.2. Пристрій ЛПА (малюнок 5.2) виготовляються за спеціальним проектом з 
суцільнотягнутих труб з товщиною стінки 6 мм зі сталі С245. Діаметр 
внутрішньої труби б приймається рівним діаметру циліндричного виступу з 
фундаменту плити (поз.5 на малюнку 5.1). Висота робочого тіла К приймається 
рівною 1.2А, де А - максимальне переміщення, на яке розраховане пристрій. В 
межах висоти їй в бічних поверхнях труб на половині діаметра встановлюються 
пересічні прорізи шириною 10 мм. При діаметрі труб сі> 450 мм ширина прорізу 
збільшується на 1 мм на кожні 50 мм перевищення діаметра труби. На перетині 
зазначених прорізів утворюється отвір для висипання робочого тіла (піску). 
Розміщення отвори по висоті пристрою досягається обертанням зовнішньої 
труби щодо внутрішньої труби. Для полегшення обертання між трубами 
розміщується графітове мастило (поз. З мал. 5.2). Кінцеві ділянки пристрою ЛПА
99
висотою сі/2 призначені для затискання технологічної колони - штампа (поз.4 на 
мал. 5.1) і фіксації на фундаментній плиті.
5.2.3. Технологічна колона - штамп (поз.4 на мал. 5.1) має циліндричну форму з 
конусною основою. Перетин технологічної колони повинен бути рівновеликим 
перетину колони будівлі. За цим параметром уточнюється величина 
внутрішнього діаметра внутрішньої труби пристрою сі (малюнок 5.2). 
Конструктивний на розміри діаметр технологічної колони - штампа повинен бути 
на 1 мм менше внутрішнього діаметра внутрішньої труби. Це виключає 
заклинювання штампу в трубі. Висота конуса в основі колони приймається в 
межах 40-60 мм. Висота технологічної частини технологічної колони повинна 
бути не менше Ь8 + 6 / 2. Оголовок технологічної колони повинен мати випуски 
арматури для сполучення з системою перехресних балок (монолітний варіант) 
або закладні деталі для сполучення зі збірними балками (збірний варіант).
5.2.4. Висота технологічного підпілля в світлі повинна бути не менше 2 Ь3 + сі і не 
менше 1.8 м (для зручності виконання робіт щодо виправлення становища 
будівлі)
5.2.5. Рекомендується наступна послідовність зведення технологічної частини 
будівлі:
- виготовляється монолітна залізобетонна плита з циліндричними виступами для 
фіксації пристрою;
- встановлюється на цементному розчині пристрій ЛПА шляхом насування 
внутрішньої труби на циліндричні виступи з плити;
- пристрої для висипання піску повинні бути закриті;
- пристрої заповнюються піском на задану висоту з механічним ущільненням 
робочого тіла;
- монтуються технологічні колони шляхом закладу їх у внутрішні труби 
пристрою на величину 6/2;
- влаштовується система перехресних балок, яка сполучається з технологічними 
колонами - штампами.
100
Мал. 5.2. Принципова схема пристрою ЛПА: 1 - зовнішня труба; 2 - внутрішня 
труба; 3 - графітове мастило; 4 - похилі прорізи; 5 - отвір для висипання піску; б 
- внутрішній діаметр труби; Ь3 - висота робочого тіла; 5 - товщина труби; І - 
ширина прорізу.
5.2.6. У проектах прив'язки будівель слід передбачати закладку нівелювальних 
марок і реперів для інструментальних спостережень за деформаціями 
конструкцій і земної поверхні. Ці дані використовуються при необхідності 
вирівнювання будівлі і розрахунку величини опускання його частин. 
Нівелювальні марки в будівлі слід встановлювати на рівні цокольного поясу по 
фасадах в місцях перетину поздовжніх і поперечних стін, по осям простінків. 
Ґрунтові репери встановлюються уздовж зовнішніх стін на відстані від них 1,5-2 
м проти відповідних стінових реперів. Відмітки по стіновим і ґрунтових реперам 
на момент здачі будинку в експлуатацію фіксуються в журналі, який передається 
експлуатуючій організації.
5.2.7. При проектуванні багатоповерхових будинків з пристроєм для 
регулювання вертикального положення будівлі в просторі слід передбачати 
підвали або технічні підпілля, використання яких для допоміжних 
(господарських) служб не допускається.
101
5.2.8. Інженерні комунікації, розташовані в технічному підпіллі слід проектувати 
таким чином, щоб при опусканні на розрахункову величину частин будівлі 
експлуатаційна придатність комунікацій не порушувалася. Для цього необхідно 
передбачати установку компенсаторів, збільшення габаритів прорізів для вводів 
і висновків і т. інш.
5.3. Контроль якості виконання робіт
(положення будівлі в просторі)
5.3.1. Моніторинг технічного стану елементів конструкцій будівель і споруд 
може здійснюватися в періодичному або безперервному режимі. Для сучасного 
будівництва, в даний час, проводиться розробка і впровадження в практику 
різноманітних систем моніторингу конструкцій будівель і споруд, заснованих на 
використанні традиційних методів контролю (геодезичний моніторинг) або 
застосуванні нових передових технологій, наприклад, таких як, волоконно- 
оптичні вимірювальні системи або GPS - вимірювання.
5.3.2. Обстеження технічного стану конструкції включає: візуальне обстеження 
об'єктів (виявлення ділянок пошкоджень конструкції); інструментальні 
вимірювання об'єктів (вимір локальних деформацій конструкції, визначення 
величини розкриття тріщин, контроль властивостей конструкційних матеріалів); 
обмірювальні роботи об'єктів (визначення зміни геометричних параметрів 
об'єктів і несучих елементів, що впливають на зміну їх НДС); перевірочні 
розрахунки будівельних конструкцій. Метою таких робіт є: оцінка технічного 
стану конструкції на певному етапі експлуатації; визначення можливості 
сприйняття конструкціями додаткових навантажень і деформацій при 
виникненні будь-якого додаткового впливу.
5.3.3. Геодезичні методи обстеження об'єктів включають: лазерне сканування; 
традиційні вимірювання вертикальних і горизонтальних переміщень 
(нівелювання, тахеометрія); стерео - і фотограмметрія; GPS- вимірювання 
(супутникові системи глобального позиціонування). Зазначені методи призначені
102
виключно для дистанційного визначення переміщень конструкції об’єкта (вимір 
осад, прогинів, кренів).
5.3.4. Визначення величин навантажень і деформацій в конструкціях за 
допомогою технічних засобів вимірювань виконуються з використанням таких 
засобів: інструменти для вимірювання деформацій, переміщень
(прогиноміри, мессури, електромеханічні вимірювачі переміщень, тензометри, 
інклінометри, нахиломіри, екстензометри, зсувометри, схили); датчики 
навантажень, напруг, деформацій (вібраційні датчики, тензорезистори, 
волоконно-оптичні, акустичні датчики). Метою робіт є: визначення навантажень, 
напруг і деформацій конструкцій будівель і споруд в локальних місцях.
5.3.5. Динамічні методи припускають: штучне збудження коливань (удари, 
вібратори); засоби вимірювань (демографи, нахиломіри, сейсмометри, 
акселерометри). Метою таких робіт є: отримання інформації про зміни 
динамічних параметрів конструкцій споруд (період і логарифмічний декрет 
загасання коливань, основний тон коливань, і т.інш.).
5.4. Проектування технологічного процесу по вирівнюванню будівель і 
споруд та обґрунтування результативності
5.4.1. Виконується аналіз і робиться прогноз щодо подальшого розвитку 
деформації основи. При аналізі визначається максимальна величина необхідного 
вирівнювання і величини поетапного вирівнювання (рекомендується призначати 
величину поетапного вирівнювання в межах 3-6 см).
5.4.2. Розрахунок напружено-деформованого стану конструкцій будівель, що 
проектуються на територіях із складними інженерно-геологічними умовами, 
рекомендується проводити за допомогою автоматизованих програмних 
комплексів. При цьому рекомендується враховувати спільну роботу основи, 
фундаментів і верхньої будови.
5.4.3. Розрахункову схему досліджуваної будівлі рекомендується представляти у 
вигляді ансамблю кінцевих елементів. Фундаментна плита моделюється 
пластинчастими кінцевими елементами, колони і балки моделюються
103
стрижневими КЕ. Жорсткістні параметри елементів допускається задавати 
програмно по їх перетинах і модулю пружності бетону та сталі.
Для фундаментної плити попередньо обчислюються коефіцієнти жорсткості 
основи Сіг. Пристрої для регулювання вертикального положення будівлі в 
просторі моделюється за допомогою стрижневих кінцевих елементів.
5.4.4. Аналіз НДС системи «основа - фундамент - верхня будова» при 
виправленні просторового положення будівлі рекомендується виконувати на такі 
навантаження і впливи: - експлуатаційні навантаження;
- нерівномірні осідання основи;
- вимушені переміщення, викликані роботою пристроїв ЛПА. При цьому 
враховуються основні, особливі і технологічні поєднання навантажень.
В основному поєднанні навантажень враховуються експлуатаційні 
навантаження, прикладені до конструкцій в момент перед початком виправлення 
просторового положення будівлі.
В особливі сполучення навантажень входять навантаження основного 
сполучення і нерівномірні осідання основи, що проявилися до моменту початку 
робіт з вирівнювання будівлі.
У технологічні поєднання навантажень входять основні і особливі сполучення і 
одне з технологічних впливів у вигляді вимушених переміщень в стрижнях, що 
моделюють пристрій ЛПА. Кількість технологічних поєднань навантажень 
відповідає кількості етапів по вирівнюванню будівлі.
5.4.5. Основу фундаментної плити слід моделювати стрижневими елементами 
еквівалентної жорсткості. Нерівномірні осідання основи враховуються в 
розрахунках завданням вимушених переміщень опорним перетинам стрижнів, 
що моделюють підставу.
5.4.6. Технологічні впливи враховуються в розрахунках скороченням довжини 
стрижнів, що моделюють пристрій ЛПА. Величини вкорочень стрижнів 
попередньо розраховуються і задаються в розрахунковій схемі у вигляді 
температурних деформацій заданої величини.
104
5.4.7. За результатами аналізу призначаються критичні параметри, що 
характеризують міцність і стійкість будівлі в процесі його вирівнювання. Такими 
параметрами є, як правило, внутрішні зусилля в елементах каркаса, що 
призводять до руйнування нормальних і похилих перерізів балок і колон. 
Будуються графіки зміни критичних параметрів в процесі вирівнювання будинку. 
Процес виправлення просторового положення будівлі вважається допустимим, 
якщо на всіх етапах вирівнювання окремі конструктивні елементи і будівля в 
цілому не втрачає стійкість положення. При цьому в окремих перетинах 
допускається розвиток пластичних деформацій і викликане цим перерозподіл 
зусиль.
5.4.8. Якщо за результатами виконаного аналізу технологічний процес по 
вирівнюванню будівлі є неприпустимим (окремі конструктивні елементи або 
будівлі в цілому перетворюються в механізм), коригується технологічна 
послідовність вирівнювання будівлі і виконується повторний аналіз з 
урахуванням нових технологічних поєднань навантажень.
5.5. Послідовність робіт при виправленні крену будівлі або споруди
5.5.1. За результатами аналізу, виконаного відповідно до п. 5.4, намічається 
послідовність роботи включення пристроїв і величини осідань вирівнюючих 
пристроїв на всіх етапах вирівнювання будівлі.
5.5.2. Спочатку в зоні опускання частин будівлі відкривають отвір в пристроях 
для висипання піску на висоті ЗО мм нижче верхньої кромки прорізі у внутрішній 
трубі. Через певний час (приблизно 3 хвилини) процес висипання піску 
припиняється, а отвори будуть перекриті за рахунок опускання технологічної 
колони - штампа.
5.5.3. Виконується геодезичний моніторинг опускання частин будівлі, за 
результатами якого при необхідності коригується програма вирівнювання 
будівлі. Уточнюються зони опускання частин будівлі.
105
5.5.4. В уточненій зоні опускання частин будівлі повторюються операції по 
пункту 5.5.2 і 5.5.3. При цьому попередньо за рахунок обертання зовнішньої 
труби висота розміщення отвору зменшується на ЗО мм.
5.5.5. Операції по п.п. 5.5.2-5.5.4 повторюються до повного завершення процесу 
вирівнювання будівлі.
5.5.6. Проводиться завершальний контроль геометричного положення будівлі в 
просторі і за його результатами приймається рішення про завершення робіт або 
про виконання додаткових коригуючих робіт.
5.5.7. При подальшій нерівномірній деформації основи операції по п.п. 5.5.2-5.5.6 
повторюються при необхідності.
Висновки по розділу 5
1. Проаналізовано «Рекомендації щодо застосування пристрою для регулювання 
вертикального положення будівлі на територіях із складними інженерно- 
геологічними умовами» для експериментального проектування та будівництва 
будівель і споруд, захист яких від нерівномірних осідань основи здійснюється 
методом опускання частин.
2. Рекомендації призначені для експериментального проектування 
багатоповерхових каркасних будинків і споруд на плитному фундаменті 
заввишки до 16-ти поверхів на територіях із складними інженерно-геологічними 
умовами.
106
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
□ Виконано аналіз історичних аспектів за тематикою кваліфікаційної роботи 
магістра. На основі проведеного теоретичного огляду встановлено, що 
ключовими чинниками виникнення нерівномірних деформацій будівель і споруд 
є: неоднорідність та різна стисливість ґрунтів основи; нерівномірне замочування 
ґрунтів і відмінності в деформаційних характеристиках основи; різниця тисків 
під підошвою окремих фундаментів, глибини їх закладання та геометричних 
розмірів; нерівномірність навантажень на підлоги промислових об’єктів і 
прилеглі до будівель території; помилки, допущені під час інженерно- 
геологічних вишукувань і проектування; порушення технології будівництва та 
умов експлуатації; зміна гідрогеологічного режиму будівельного майданчика; 
динамічні впливи. Унаслідок нерівномірних деформацій ґрунтової основи в 
конструкціях виникають крени, прогини, вигини, крутіння та інші просторові 
деформації. За нерівномірних кінцевих осідань і різної швидкості їх загасання в 
часі відбувається перерозподіл зусиль і деформацій у надземних частинах 
будівель і споруд. Такі осідання погіршують умови експлуатації, спричиняють 
перенапруження окремих конструктивних елементів та їх пошкодження. 
Вирівнювання будівель і споруд може здійснюватися шляхом піднімання або 
опускання їх окремих частин. Основними способами вирівнювання є методи 
впливу на ґрунтову основу та конструктивні заходи, зокрема: вибурювання 
ґрунту під підошвою фундаментів, застосування термопластичних елементів, 
використання пристроїв із сипучим матеріалом, а також домкратних систем.
□ Виконано аналіз і дослідження пристрою для регулювання вертикального 
положення будівлі в просторі при нерівномірних деформаціях основи методом 
опускання її окремих частин. Досліджуваний пристрій являє собою вдосконалену 
конструкцію пісочниці з напівавтоматичним дискретним режимом роботи. За 
результатами експериментальних досліджень встановлено, що його 
працездатність забезпечується дотриманням таких технологічних принципів: 
- створення тиску на робоче тіло за допомогою штампа з конічною основою, який 
формує бічні тиски в піску, достатні для його виходу з отвору пристрою; 
- примусове дискретне переміщення по висоті отвору для висипання піску на 
величину, що відповідає висоті конічної основи штампа. 
Порушення зазначених принципів призводить до заклинювання робочого тіла в 
об’ємі пристрою та втрати його працездатності.
□ За результатами випробувань пристрою виділено чотири характерні зони 
напружено-деформованого стану піску залежно від рівня напружень і тривалості 
навантаження. Перша зона характеризується напруженнями, недостатніми для 
подолання кінетичного тертя між окремими частинками піску, внаслідок чого 
107
відбувається лише пружне стискання матеріалу. 
Друга зона відповідає діапазону напружень від 0,1 до 7,5 МПа, за яких долається 
кінетичне тертя між частинками, і пісок деформується внаслідок ковзання та 
перекочування зерен у пори, що супроводжується виникненням залишкових 
деформацій. Третя зона (7,5-14,71 МПа) характеризується перегрупуванням 
частинок у порах і формуванням більш щільної структури, що збільшує кількість 
контактів між зернами та зумовлює зміцнення матеріалу. 
Четверта зона відповідає високим рівням напружень (понад 14,71 МПа), за яких 
відбувається дроблення окремих частинок піску, що забезпечує подальшу 
деформацію матеріалу за рахунок осідання та зменшення опору стисканню.
□ Аналіз результатів експериментальних досліджень показав незначну 
залежність (менше 10 %) рівня напружень у піску від величини осідання штампа. 
Це пояснюється тим, що висипання піску з пристрою відбувається за умови 
розташування отвору в зоні дії конічного штампа, де формуються максимальні 
бічні тиски від прикладеного вертикального навантаження. Процес витікання 
піску починається після досягнення певного граничного значення бічних тисків. 
За підвищених тисків можливе часткове заклинювання піску в отворі, внаслідок 
чого швидкість його витікання за різних вертикальних навантажень на штамп 
залишається практично сталою. В експериментах осідання штампа на ЗО мм 
досягалося за 160 с, а повне осідання на 300 мм — за 1600 с, що дозволяє 
прийняти середню швидкість осідання штампа рівною 0,2 мм/с.
□ Проаналізовано та досліджено розрахункові моделі каркасної будівлі на 
плитному фундаменті з пристроями для виправлення її просторового положення 
методом опускання менш осілих частин. Нерівномірні осідання основи в моделях 
задавалися у вигляді вимушених переміщень опорних перерізів стрижнів, що 
моделюють роботу пружної основи. Вплив процесу виправлення крену 
враховувався шляхом задання укорочень стрижнів, які моделюють роботу 
пристроїв у системі «основа - фундамент - надземна частина». Укорочення таких 
стрижнів реалізовувалося шляхом задання температурних деформацій заданої 
величини на відповідних етапах розрахунку. Дослідження виконано з 
використанням програмних комплексів ЛІРА та SAP2000.
□ Досліджено технологічні схеми виправлення крену будівлі методом 
поетапного опускання її частин для основних, особливих і технологічних 
поєднань навантажень. Основні поєднання включали експлуатаційні 
навантаження, що діяли на будівлю до початку вирівнювання; особливі — 
поєднання основних навантажень із впливом нерівномірних осідань; 
технологічні — додатково враховували вплив зміни висоти пристроїв у процесі 
вирівнювання. Розглянуто дві технологічні схеми поетапного виправлення крену, 
108
що включали від 2 до 14 етапів. Перша схема передбачала багатоступеневе 
вирівнювання з кроком 3-6 см (14 етапів), друга — 12 етапів з одночасним 
опусканням опор на ЗО см. За першою схемою спостерігалося поступове 
зменшення зусиль практично на кожному етапі, що позитивно впливало на 
напружено-деформований стан елементів каркаса. За другою схемою в 
конструкціях виникали значні додаткові зусилля, які могли призвести до 
пошкодження або руйнування будівлі. При поетапному вирівнюванні з кроком 
3-6 см зусилля в елементах каркаса зменшувалися на 30-60 %, тоді як при кроці 
ЗО см — зростали на 5-10 %. Різниця між схемами за величиною зусиль 
становила 30-88 %. Таким чином, чисельними дослідженнями обґрунтовано 
технічну та технологічну доцільність багатоступеневого виправлення крену 
будівлі з одночасним укороченням пристроїв на 3-6 см, що повністю відповідає 
технічним можливостям розробленого пристрою.
□ Результати теоретичних і експериментальних досліджень ефективності 
технологічних процесів із застосуванням регульованих фундаментів дозволили 
внести уточнення та доповнення до існуючих методик чисельного моделювання 
роботи будівель і споруд на регульованих фундаментах.
□ Проаналізовано «Рекомендації щодо застосування пристрою для регулювання 
вертикального положення будівель на територіях зі складними інженерно- 
геологічними умовами», які містять вимоги до конструктивних рішень, контролю 
просторового положення будівель, проектування технологічних процесів 
вирівнювання та послідовності виконання робіт з виправлення крену. 
Запропоновані рекомендації спрямовані на забезпечення стійкості, надійності та 
безпечної експлуатації будівель і споруд у складних інженерно-геологічних 
умовах.
109
Репозиторій ЧДТУ
