Full Text

ВведениеПри значительных сейсмических нагрузках на основание в сложных инженерно-геологических условиях площадок строительства наиболее приемлемым решением могут быть свайные или свайно-плитные фундаменты, способные снижать сверхнормативные деформации основания. Применение свайных фундаментов в сейсмических районах с учетом действия и других видов внешних нагрузок свидетельствует о существенном уве-личении их стоимости. Более экономичным и технологически обоснованным является решение применения свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем, который устраивается на участке между оголовками свай и подошвой ростверка (плиты) [1, 2]. Установлено, что такое решение существенно снижает действие горизонтальных и мо-ментных нагрузок в верхней части свай за счет включения в работу межсвайного грунта и плитной части фундамента (ростверка).На сегодняшний день реализованы технические решения, предусматривающие устройство промежуточного распределительного слоя для фундаментов зданий в сложных грунтовых условиях [3, 4]. Известны также методы выбора конструктивного материала для промежуточного распределительного слоя, методы назначения его высоты и плотно-сти сложения (укладки) [5]. Однако нормативная база для расчета свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем проработана пока недостаточно, что ограни-чивает возможность их применения для многоэтажных зданий, в том числе в районах с высокой сейсмичностью.В настоящей статье изложены результаты исследований, направленных на совершен-ствование методов расчета и конструирования фундаментов с промежуточным распреде-лительным слоем. Методика эксперимента и теоретические подходыВ научных работах такой тип фундамента часто рассматривается как вертикально ар-мированное основание, при этом промежуточному распределительному слою и его вкладу в общую эффективность всей конструкции уделяется недостаточное внимание. В зависи-мости от свойств основания и величины передаваемой на него нагрузки выбираются па-раметры свайного фундамента и технология его устройства, зависящая в значительной степени от вида грунтов и особенностей их напластования. Исследования авторов и дан-ные наблюдений в разных регионах Российской Федерации (в городах Краснодарского края, Санкт-Петербурге, Казани и др.) свидетельствуют о повышении эффективности свайных фундаментов при устройстве промежуточного слоя.В настоящей работе проведены теоретические исследования влияния высоты проме-жуточного распределительного слоя (ПРС), диаметра, шага и длины свай на конечные осадки основания свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем для многоэтажных зданий. На основании проведенных численных исследований и теоретиче-ских представлений о механизме работы ПРС в составе фундамента был разработан новый аналитический метод расчета напряжений в ПРС, позволяющий установить их распреде-ление по низу фундамента.Численные методыВ рамках численных исследований выполнено моделирование работы свайно-плитных и свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем с различ-ной жесткостью надземного строения (от абсолютно гибкого до абсолютно жесткого) в программном комплексе MIDAS FEA NX. Всего подготовлено и проанализировано более 810 моделей фундаментов с различными параметрами при использовании модели упроч-няющегося грунта при малых деформациях – Hardening Soil Small-strain (HSS).Плитный фундамент рассматривался в виде сплошной железобетонной конструкции, геометрические размеры которой в плане 15×30 м, опирание на однородный суглинистый грунт с модулем деформации E0 = 14 МПа; коэффициентом Пуассона ν = 0,37; удельным сцеплением c = 23 кПа; углом внутреннего трения φ = 21°; удельным весом γ = 18 кН/м3.Материал плитного ростверка и сваи описывается линейно-упругой моделью с моду-лем упругости E = 30000 МПа (бетон В25) и коэффициентом Пуассона ν = 0,2. Сваи для фундамента представлены железобетонными диметром Dp = 300, 600, 900 мм, но с раз-личным осевым расстоянием Lp = 3Dp, 6Dp, 9Dp и длиной свай L = 5; 15; 25 м. Разработан-ная модель в MIDAS FEA NX представлена на рис. 1. Рис. 1. Пример рассматриваемой модели свайного фундамента с промежуточным распределительным слоемFig. 1. Example of a pile foundation model with a load transfer layerДля оценки степени влияния выбранных параметров на снижение конечных осадок фундамента был определен коэффициент эффективности kef, определяемый как отноше-ние осадки свайного фундамента с ПРС к осадке фундаментной плиты на естественном основании при различной жесткости фундамента. Следовательно, чем коэффициент kef ниже, тем техническое решение эффективнее. На рис. 2 показаны изоповерхности, демон-стрирующие зависимость коэффициента эффективности kef от межсвайного расстояния Lp/Dp и отношения высоты промежуточного распределительного слоя к диаметру (hgc/Dp) при различной жесткости фундаментной конструкции. а bРис. 2. Диаграммы изменения коэффициента эффективности kef при давлении по подошве плиты Р = 500 кПа, Dp = 300 мм, L = 15 м для: а – гибкой плиты keffl500; b – жесткой плиты kefrg500Fig. 2. Diagrams of variation of efficiency coefficient kef of settlement reduction at the bottom of the slab pressure P = 500 kPa, Dp = 300 mm, L = 15 m for: a – flexible slab keffl500; b – rigid slab kefrg500В ходе исследований установлены доли от общей нагрузки, передаваемые на сваи и плитную части фундамента. В том числе выявлен характер распределения максимальных усилий в сваях в зависимости от типа их сопряжения с фундаментной плитой (рис. 3). а bРис. 3. Характер распределения максимальных усилий в сваях: а – для свайно-плитного фундамента с жесткой заделкой свай; b – для свайного фундамента с ПРСFig. 3. Character of maximum force distribution in piles: a – pile-slab foundation; b – pile foundation with LTLПри выявленных преимуществах свайных фундаментов с промежуточным распреде-лительным слоем остаются нерешенные вопросы, ограничивающие область применения рассматриваемого технического решения, а именно недостаточная изученность напря-женного состояния промежуточного распределительного слоя внутри типовой свайной ячейки, в том числе с учетом габаритов оголовков свай.Аналитический метод расчетаРасчет промежуточного распределительного слоя, расположенного между фунда-ментной плитой и грунтовым основанием (ГО), производился на основе уравнений стати-ческого равновесия с учетом условий для осадки комбинированного свайно-плитного фундамента (КСПФ).Нагружение фундаментной плиты весом здания приводит к сжатию ПРС, располо-женному между плитой и ГО. Поверхность основания принимаем на одном уровне с голо-вой сваи, обозначенной отрезками AB и A1B1 на рис. 4. Рис. 4. Сечение вертикальной плоскостью комбинированного свайно-плитного фундамента с промежуточным распределительным слоем по [6]Fig. 4. Vertical plane cross-section of a combined pile-slab foundation with a load transfer layer according to [6]При нагружении материал ПРС разрушается по схеме пробоя полосы [7]. Роль полосы выполняет ПРС, штампа – голова сваи. Материал ПРС разрушается сдвигом при сжатии в области, огибающие поверхности скольжения которой образуют криволинейный тре-угольник (в разрезе), или криволинейный конус – в пространственном изображении. При росте нагрузки область разрушения трансформируется в «несущий столб» уплотненного материала ПРС (рис. 5) [7–9].Рис. 5. Схема «несущего столба» грунта по [9]Fig 5. Schematic of the "bearing column" of soil according to [9]«Несущий столб» расширяется в стороны, по мере роста нагрузки [7], причем это расширение имеет больший размер в той его части, которая ближе к свае, как и в случае с действием штампа на ограниченный по толщине слой (рис. 6).Описанные выше представления позволили построить инженерный метод описания распределения усилий в ПРС и обосновать возможность их изменения путем применения оголовков на сваях.Рис. 6. Идея «несущего столба» грунта по [8]Fig 6. The idea of a "load-bearing pillar" of soil according to [8]В настоящей работе задача о распределении усилий в ПРС решается методом, заклю-чающимся в том, что области предельного равновесия ограничиваются кинематически возможными огибающими, имеющими форму прямых линий [10]. В итоге действующие на огибающих поверхностях усилия выражены в силах. Вычисления основаны на том, что расчетная ячейка фундамента состоит из четырех буровых висячих свай, абсолютно жесткой фундаментной плиты, участков ПРС и ГО под ней [6]. На сечении ячейки вертикальной плоскостью показаны верхние части свай (A), область (B) уплотненного материала ПРС над сваей, область (C) уплотненного материала ПРС между четырьмя областями (B), область (D) грунта ГО между сваями (рис. 7). Эти области ограничены кинематически возможными огибающими, имеющими форму пря-мых линий. Рис. 7. Схема к расчету ПРС для значений hgc/Dp = 1,0 с выделением четырех взаимодействующих грунтовых тел: A – свая, жесткое недеформируемое тело; B – тело из упруго-пластически деформи-руемого материала ПРС в границах ABCDEEˊDˊCˊA; C – всесторонне сжатое тело из материала ПРС в границах CDEGHJ; D – компрессионно сжатая часть грунтового основания, прилегающая к головам свайFig. 7. Schematic of the LTL calculation for hgc/Dp = 1,0 values with separation of four interacting ground bodies: A – pile, rigid non-deformable body; B – body of elasto-plastically deformable LTL mate-rial in ABCDEEˊDˊCˊCˊA boundaries; C – fully compressed body of LTL material in CDEGHJ bounda-ries; D – compression-compressed part of soil foundation adjacent to pile headsОбласти предельного равновесия вблизи головы сваи сохраняют свои размеры для разных значений толщины ПРС (см. рис. 7), как было показано в [9].Основное условие равновесия фундамента выражается уравнением сил, действующих на выделенную ячейку [6, 11]: (1)где Nf − вертикальная сила, действующая на выделенную ячейку фундамента от здания, − среднее напряжение на подошве фундаментной плиты от веса здания, − расстоя-ние между осями свай в квадратной сетке плана свайного поля, и − силы сопротив-ления сваи и грунта основания между сваями, приходящиеся на выделенную ячейку фун-дамента соответственно.Часть силы Nf действует непосредственно на тело B уплотненного материала ПРС, другая часть – на тело C, поэтому силу Nf представим суммой сил: (2)где и − вертикальные силы, действующие от здания на часть ячейки, ограни-ченную следом кругового конуса уплотненного грунта, и на часть, расположенную между четырьмя такими следами соответственно (рис. 8).Условие равновесия тела В запишем в виде (3)где , и – равнодействующие реакции сваи на площадке AB, внутреннего трения на поверхности конуса CD и реакции ГО на кольцевой площадке BC соответственно (см. рис. 8, а). Силы и показаны двумя векторами, чтобы обозначить на сечении ме-ста приложения распределенных усилий. Их равнодействующие располагаются по оси сваи, как это сделано для на рис. 8, б. а bРис. 8. К расчету ПРС схема сил, действующих на: а – тело В; b – тело СFig. 8. Forces to the LTL calculation scheme acting on: a – body B; b – body CУсловие равновесия тела С (см. рис. 8, б) запишем в виде: (4)Суммирование уравнений (2) и (3), с учетом уравнения (4), дает уравнение (1), т.е. условия равновесия фундамента в целом сохраняются, а силы и являются внутрен-ними для него, их алгебраическая сумма равна нулю.Грунтовое тело B формируется более интенсивно, чем грунтовое тело C, так как в нем выше концентрация напряжений. Поэтому граница между этими телами определяется разрывом перемещений по поверхностям скольжения, следы которых в сечении представ-лены отрезками CD и DE, а также CˊDˊи DˊEˊ (см. рис. 8). Напряжения сохраняют при этом непрерывность, поэтому перемещению по этим поверхностям препятствуют силы внутреннего трения и . Первые намного больше, чем вторые, потому что в области BDC происходит более упорядоченное движение по поверхностям скольжения, чем в об-ласти BOE и силой на поверхности DE можно пренебречь по сравнению с силой на поверхности DC.Сила вычисляется интегрированием напряжений на горизонтальных пло-щадках, проходящих через точки отрезков CD и CˊDˊ, т. е. на коническом поясе, образо-ванном этими отрезками.Грунтовое тело B создает давление на тело D на поверхности BC (см. рис. 8 и 9) через ПРС в теле B, частично уравновешивая нагрузку Результирующая этого давления рассчитывается интегрированием напряжений на горизонтальной кольцевой площадке, следами которой в сечении являются отрезки BC и AC’. Вычисляя силы и напряжения на поверхности фундаментной плиты, проводят их сравнение с предельными значениями прочности материала промежуточного распредели-тельного слоя, после чего делается вывод о необходимости применения оголовков свай. Оголовок, устраиваемый на свае, шире сваи в плане и имеет высоту не менее полови-ны диаметра сваи. Верхняя грань оголовка может устраиваться как внутрь толщины ПРС (см. рис. 9), так и в уровне головы сваи за счет демонтажа верхней части. Оголовок, вне зависимости от способа крепления к свае, можно считать ее частью. Поэтому для анализа влияния оголовка на работу ПРС под нагрузкой приняты за основу предыдущие расчеты. Рис. 9. Схема к расчету ПРС по сваям с оголовками для значений = 1,0Fig. 9. Schematic of LTL calculation for piles with pile caps for = 1,0Расстояние между эпюрами напряжений на подошве фундаментной плиты: (5)При большей толщине ПРС уменьшается расстояние между площадками прило-жения реакции сваи, что приводит к уменьшению равнодействующей и давления материала ПРС на ГО между сваями (рис. 10). Это снижает эффект от включения ГО в общее сопротивление основания фундамента. Поэтому условие можно рассматри-вать как предельный случай использования распределительной функции ПРС. Рис. 10. График напряжений на подошве фундаментной плиты над сваями с оголовками и без оголовков при диаметре DP = 0,6 м; шаге свай LP = 3,0 м; давлении на подошве плиты σf = 500 кПаFig. 10. Stress plot at the base slab bottom over piles with caps and without caps for pile DP = 0,6 m; pile spacing LP = 3,0 m; pressure at the base plate sole σf = 500 kPaТаким образом, разработан аналитический метод расчета, позволяющий оценить напряжения и деформации в пределах ПРС в зависимости от давления на подошве фунда-ментной плиты, межсвайного расстояния и площади оголовков. Результаты и обсуждениеВ результате применения численных и аналитических решений разработана методика расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем, позволяющая на стадии разработки проекта по вычисляемым зависимостям рас-пределения нагрузок между сваями и плитой, а также расчетным значениям конечных осадок таких фундаментов определить требуемые параметры свайного поля, после чего, используя аналитический метод расчета, проверить прочность материала промежуточного слоя и при необходимости назначить свайный оголовок расчетной величины. При этом оголовки могут быть одиночные, ленточные, кустовые, – в зависимости от шага и места расположения рассматриваемых свай в пределах фундамента. По полученным данным выполняются поверочные конечно-элементные расчеты проектного решения и проводятся натурные испытания элементов системы в условиях площадки строительства. Внедрение разработанной методики расчета и конструирования свайных фундамен-тов с промежуточным распределительным слоем в условиях Юга России осуществлено на объектах многоэтажного и высотного строительства [11, 12], два из которых приведены на рис. 11, 12. Таким образом, разработанная методика расчета и конструирования свайных фунда-ментов с промежуточным распределительным слоем для многоэтажных и высотных зда-ний дает возможность подобрать высоту промежуточного распределительного слоя и от-регулировать напряжения в нем с учетом оголовков свай или дополнительных компенси-рующих мероприятий. Рис. 11. Пример реализации методики расчета и конструирования фундаментов многоэтажных зда-ний по ул. Курортный пр-т, 108 в г. Сочи с применением промежуточного распределительного слояFig. 11. Example of implementation of the methodology of calculation and design of foundations of multi-storey buildings at 108 Kurortny av. in Sochi with the use of a load transfer layer Рис. 12. Пример реализации методики расчета и конструирования фундаментов многоэтажных зданий по ул. Гастелло, 27 в г. Сочи с применением промежуточного распределительного слоя и одиночных оголовковFig. 12. Example of implementation of the methodology for calculation and design of foundations of multi-storey buildings at 27 Gastello str. in Sochi with the use of a load transfer layer and single capsВыводыПри помощи численного моделирования в пространственной постановке на моделях большеразмерных плитных фундаментов (810 расчетных случаев) была установлена взаи-мосвязь между осадками основания и основными параметрами свайного фундамента с промежуточным распределительным слоем (шагом, длиной и диаметром свай) для абсо-лютно жесткого и абсолютно гибкого фундамента.Разработан аналитический метод расчета параметров промежуточного распредели-тельного слоя в составе свайных фундаментов с включением монолитных оголовков, ба-зирующийся на условии его равновесия, расчете действующих сил и напряжений. Исполь-зование аналитического метода позволяет вычислять напряжения на поверхности фунда-ментной плиты над сваями и в пролете между ними.По результатам численных и аналитических расчетов установлено, что высоту про-межуточного распределительного слоя рекомендуется принимать не более 2Dp, а диаметр оголовка не более Dh = 2,5Dp.На основании зависимостей, установленных в ходе исследований, разработаны реко-мендации по проектированию свайных фундаментов с промежуточным распределитель-ным слоем для многоэтажных и высотных зданий, в том числе с учетом различных мето-дов устройства свайных оголовков.Выполнено внедрение предлагаемых методов конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем в практику строительства многоэтажных и высотных зданий в Краснодарском крае; подтверждена высокая эффективность реализо-ванных решений, при этом материалоемкость изготовления фундаментов снижена на 30–50 % по отношению к исходным вариантам с жесткой заделкой свай в фундаментную плиту.

About the authors

M. B. Marinichev

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

I. G. Tkachev

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

I. G. Azov

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

References

Statistics

Views

Abstract - 6

PDF (Russian) - 5

Refbacks

• There are currently no refbacks.