CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Development of methods for predicting and preventing the uplift of underground structures at high groundwater levels taking into account long-term consolidation and creep of soils

Authors

  • Andrei V. Reshetnikov National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Vasiliy I. Proshin National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Ilya S. Rumyantsev National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Vladislav L. Balakin National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia
  • Roman A. Kuzmin National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russia

How to cite

GOST Reshetnikov A. V., Proshin V. I., Rumyantsev I. S., Balakin V. L., Kuzmin R. A. Development of methods for predicting and preventing the uplift of underground structures at high groundwater levels taking into account long-term consolidation and creep of soils // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2026. Vol. 70. No. 3. P. 32-44.
APA Reshetnikov, A. V., Proshin, V. I., Rumyantsev, I. S., Balakin, V. L. & Kuzmin, R. A. (2026). Development of methods for predicting and preventing the uplift of underground structures at high groundwater levels taking into account long-term consolidation and creep of soils. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 70(3), 32-44.

Abstract

Ensuring the stability of underground structures under high groundwater level conditions requires consideration of long-term rheological processes that determine the evolution of the stress-strain state in the contact zone between the structure and the base. The interaction of embedded objects with a water-saturated soil mass is characterized by a decrease in effective stresses during groundwater level rise, which leads to a reduction in frictional forces along the lateral surface and weakening of the anchoring effect of the overlying soils. An additional influence is exerted by the creep of the soil skeleton, accompanied by the time-dependent relaxation of shear stresses and leading to progressive degradation of retaining forces even under a stable hydrogeological regime. Numerical modeling by the finite element method using the soft soil creep model made it possible to quantitatively evaluate the change in the factor of safety against uplift for various soil types over 50 years of operation. For peaty deposits, the reduction in the factor reached 31,1%, with the critical value of 1.0 being exceeded already in the 5-10th year, whereas for medium-density loams the loss amounts to only 9,2%. Rheological parameters, including the secondary consolidation coefficient and modified compression indices, demonstrate significant variability: the Ca/Cc ratio exceeds the threshold value of 0.04 for organic soils, indicating the need for explicit accounting of viscoplastic behavior. Cyclic fluctuations in groundwater levels with amplitudes from 0,3 to 2,5 m cause nonlinear accumulation of upward vertical displacements of the structure, reaching 93,8 mm in soft clays under frequent cycles over 30 years. Comparative analysis of structural measures revealed the limited long-term effectiveness of soil anchors due to relaxation of prestressing, amounting to a loss of up to 62% of the force by the 50th year, while the combination of drainage and a surcharge slab provides a stability factor of 1.58 at moderate costs. Multiple regression analysis established the determining role of the secondary consolidation coefficient and specific cohesion in the prediction of long-term stability, with a multiple correlation coefficient of 0.96. Model verification based on geotechnical monitoring data from real objects confirmed that the deviation of calculated displacements from observed values remains within 4,8-9,8%. The obtained regularities emphasize the necessity of a differentiated approach to assigning safety factors depending on the genetic soil type and the inclusion of rheological characteristics in normative methods for calculating underground structures under complex hydrogeological conditions.

Keywords

uplift of underground structures soil consolidation soil creep groundwater level structural stability

Funding

The authors did not declare any external funding for this research.

References

Биктимирова К.А. Оценка устойчивости обводненных массивов при строительстве метрополитена открытым способом и применении бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. рp. 196-203.

Гинзбург С.М., Юделевич А.М. Оценка надежности гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. 2020. № 9. рp. 40-49.

Гурьев А.П., Козлов Д.В., Ханов Н.В., Ершов К.С. Расчет водосливов с переменной шириной пролетов в плане // Природообустройство. 2010. № 3. рp. 47-50.

Закоршменный А.И. Новый способ определения водонепроницаемости железобетонных конструкций подземных сооружений в натурных условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № 11. С. 113-115.

Закоршменный А.И. Сравнение результатов водонепроницаемости бетона подземных сооружений в натурных условиях, получаемых с использованием прямых и косвенных методов испытаний // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № 4. С. 282-294.

Иванова З.П., Ильичева И.А., Шмагина Э.Ю. Исследование конструктивной надежности водоводов // Научная жизнь. 2014. № 6. рp. 60-64.

Кауфман Б.Д., Андрианова Е.А., Альберт И.У. Учет неопределенностей при оценке надежности шельфовых сооружений от природных воздействий с использованием различных методик // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2018. Т. 289. С. 68-75.

Левин В.М., Гулейчук В.Н., Волков А.С., Машталер С.Н., Дмитренко Е.А., Недорезов А.В., Шабельник С.В. Численный анализ несущей способности и эксплуатационной пригодности строительных конструкций башенного копра в составе водоотливного комплекса // Строитель Донбасса. 2018. № 2(3). С. 47-55.

Свинцов А.П., Фоминов В.А. Оценка надежности водопроводной арматуры в эксплуатационных условиях // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2021. № 9(753). С. 58-69.

Соколов Н.С. Выбор оптимального типа заглубленных конструкций // Тенденции развития науки и образования. 2023. № 104-15. С. 57-62.

Стефанишин Д.В. К оценке надежности водопропускных сооружений-гидроузлов // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2000. Т. 236. С. 77-82.

Траоре А.С., Константинов А.П., Аксенов И.С. Метод расчета исходных данных для определения водонепроницаемости светопрозрачных конструкций на базе метеорологических наблюдений // Жилищное строительство. 2024. № 12. С. 3-7.

Швецов Г.И., Кусковский В.С. Сжимаемость водонасыщенных лессовых суглинков Верхнего Приобья и их изменчивость // Горная промышленность. 2009. № 6(88). С. 62.

Шепитько Т.В., Зайцев А.А., Соковых И.М., Немцова С.А. Применение магистральных водосборных сооружений в районах с активными склоновыми процессами и слабыми грунтами // Транспортное строительство. 2025. № 3. рp. 6-10.

Issue

Section

CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Metrics

119 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Similar Articles

1 2 3 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.

Most read articles by the same author(s)