Full Text

ВведениеРазвитие промышленности, увеличение благосостояния и численности населения непосредственно приводят к интенсивному развитию инфраструктуры – строительству небоскрёбов, большепролетных промышленных и гражданских зданий и сооружений, транспортных магистралей. В связи с этим всё большее применение в строительстве находят свайные фундаменты, воспринимающие в том числе значительные горизонтальные и моментные нагрузки. Для территорий большинства городов весьма характерным является сложное строе-ние верхней части геологического разреза массива горных пород. На площадках со сложными грунтовыми условиями при строительстве зданий и сооружений с большими нагрузками на фундаменты наиболее эффективными являются крупноразмерные сваи большого диаметра и большой длины.В ряде случаев устройство односвайных фундаментов из буронабивных свай большого диаметра является более технологически и экономически целесообразным решением, чем устройство кустовых свайных фундаментов. Экономическая выгода заключается в возможности максимального использования несущей способности сваи как по грунту, так и по материалу, которая достигается вариацией геометрических параметров сваи (диаметра и длины).Однако для получения надежных результатов выбранная схема деформирования сваи, применяемая в расчетах, должна соответствовать фактической работе сваи в грунте.Горизонтально нагруженная буронабивная свая в зависимости от геометрических характеристик (длины, поперечного сечения и грунтовых условий (модуля деформации)) будет работать как абсолютно жесткая, либо конечной жесткости, либо гибкая.Для жесткой схемы работы горизонтально нагруженной сваи характерен поворот оси сваи вокруг точки нулевых перемещений без изгиба оси сваи. Разрушение системы «свая – грунт» происходит за счет потери несущей способности грунта основания. При этом материал самой сваи остается, как правило, недоиспользованным.Гибкая схема работы сваи предполагает изгиб оси сваи без поворота, т.е. перемещения нижнего конца сваи принимаются незначительными по сравнению с перемещениями верхнего конца. Исчерпание несущей способности в данном случае происходит при достижении критических изгибающих моментов с последующим разрушением ствола сваи.Схема работы сваи конечной жесткости носит в себе отличительные признаки как гибкой, так и жесткой схем. У свай, деформирующихся по этой схеме, присутствует как поворот оси сваи вокруг точки нулевых перемещений, так и значительный изгиб ствола, а перемещение нижнего конца сваи затухает до нуля на определенной глубине. Таким образом, грунт и материал сваи активно вовлечены в работу.Существует ряд различных подходов к определению расчетной схемы горизонтально нагруженной сваи. Так, например, в 1946 г. В.Г. Березанцев [1] предложил подразделять сваи на жесткие и гибкие в зависимости от отношения длины сваи в грунте к диаметру сваи (или стороне квадратного сечения сваи). Очевидным недостатком данного разделения является неучет грунтовых условий и материала сваи. Схемы работы сваи в слабых и плотных грунтах различаются [2].В 1976 г. А.С. Бусловым [3] предложен показатель λl, который вычисляется по фор-муле (1)где с – коэффициент постели грунта; ν – коэффициент Пуассона грунта; EI – жесткость поперечного сечения сваи на изгиб.При λl ≤ 1,5 – короткая жесткая свая; при 1,5 < λl < 2,5 – короткая гибкая свая; при λl ≥ 2,5 – длинная гибкая свая.В 1992 г. в результате анализа методом конечных элементов, проведенного Картером и Кулхави [4], было установлено, что горизонтальное перемещение и угол поворота головы сваи в значительной степени зависят от соотношения Ee/G* и отношения длины сваи к диаметру. Гибкая свая – это такая свая, для которой выполняется следующее усло-вие: (2)где – эффективный модуль упругости сваи; D – диаметр сваи; G* – эквивалентный мо-дуль сдвига массива.Формулы для определения и G* представлены в [4].Свая будет работать по жесткой схеме, если выполняется условие (3)А.З. Гайсин [5] записал зависимость определения гибкости буронабивных свай в виде (4)где E0 – модуль деформации грунта; μ – коэффициент Пуассона; d – размер поперечного сечения (диаметр) сваи.В существующей в нашей стране методике, представленной в СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты», принята расчетная схема сваи с линейно возрастающим по глу-би¬не коэффициентом постели, т.е. без учета многослойности основания. Такой подход приемлем для свай с небольшим поперечным сечением – порядка (30 × 30, 40 × 40 см), так как рабочая длина в грунте для таких свай составляет не более 3–4 м. Для свай с большим поперечным сечением, обладающих большой изгибной жесткостью, рабочая длина сваи может составлять до 15 м и более. Поэтому для таких свай необходимо учитывать многослойность грунтового основания.Методика расчета горизонтально нагруженных крупномасштабных буронабивных свай без учета изгибной жесткости (по «жесткой» схеме) с учетом многослойности основания представлена в работах [6, 7]. В этой связи с целью выбора правильной расчетной схемы для расчета свай любых размеров актуальным является вопрос определения схемы работы горизонтально нагруженной сваи в грунте как «жесткой» или «гибкой».Численные исследования характера деформирования свайДля определения критерия, позволяющего отнести работу сваи к одной из схем – жёсткой, гибкой или конечной жесткости, проведены численные исследования характера деформирования горизонтально нагруженных свай в рамках метода конечных элементов с использованием современного компьютерного комплекса геотехнических расчетов PLAXIS 3D. В качестве модели грунта использовалась упруго-пластическая модель Кулона – Мора. Исследования проводились на различные комбинации геометрических параметров сваи и грунтовых условий.Рассмотрены глинистые грунты с коэффициентом Пуассона μ = 0,42 и модулем деформации E = 5, 15, 30 МПа. Диаметры свай принимались d = 1,0; 1,5 и 2,0 м. Длины свай L = 5, 10 и 15 м. Значение горизонтальной нагрузки, приложенной в уровне земли, составляет H = 200 кН. На рис. 1 представлена расчетная схема горизонтально нагружен-ной сваи в PLAXIS 3D.Согласно [8] при использовании численных методик хороший уровень достоверности расчетов свай может быть достигнут только при использовании объёмных конечных элементов. Рис. 1. Расчетная схема горизонтально нагруженной сваи в PLAXIS 3DFig. 1. Calculation scheme of a horizontally loaded pile in PLAXIS 3DНа рис. 2–4 представлены графики, отображающие перемещение точек, принадлежа-щих оси сваи, от приложения горизонтальной нагрузки по длине сваи. а b сРис. 2. Результаты расчетов для свай длиной L = 5 м и модулем деформации грунта: а – E = 5 МПа; b – E = 15 МПа; с – E = 30 МПаFig. 2. Calculation results for piles with length L = 5 m and soil deformation modulus: a – E = 5 MPa; b – E = 15 MPa; c – E = 30 MPa а b сРис. 3. Результаты расчетов для свай длиной L = 10 м и модулем деформации грунта: а – E = 5 МПа; b – E = 15 МПа; с – E = 30 МПаFig. 3. Calculation results for piles with length L = 10 m and soil deformation modulus: a – E = 5 MPa; b – E = 15 MPa; c – E = 30 MPa а b сРис. 4. Результаты расчетов для свай длиной L = 15 м и модулем деформации грунта: а – E = 5 МПа; b – E = 15 МПа; с – E = 30 МПаFig. 4. Calculation results for piles with length L = 15 m and soil deformation modulus: a – E = 5 MPa; b – E = 15 MPa; c – E = 30 MPaНа основе численных решений в табл. 1 представлено разделение свай по схемам работы.В данной таблице схемы работы сваи обозначены соответствующими буквами: «Ж» – жесткая, «КЖ» – конечной жесткости, «Г» – гибкая.Таблица 1Характер деформирования свайTable 1Nature of deformation of pilesМодуль деформацииE, кН/м2 Длина сваи L, м 5,0 10 15,0 Диаметр сваи D, м Диаметр сваи D, м Диаметр сваи D, м 1,0 1,5 2 1 1,5 2 1 1,5 25000 Ж Ж Ж КЖ Ж Ж Г КЖ Ж15000 КЖ Ж Ж Г КЖ Ж Г Г КЖ30000 Г Ж Ж Г Г КЖ Г Г ГНа основании результатов численных исследований и анализа схем деформирования крупномасштабных буронабивных свай в различных грунтовых условиях получен безразмерный параметр Кж: (5)где Sсв – площадь поперечного сечения сваи, м2; Есв – модуль упругости бетона сваи, кН/м2; Lсв – длина сваи в грунте, м; Егр – модуль деформации грунта, кН/м2; H – горизон-тальная нагрузка, кН; – поправочный коэффициент: (6)При Кж < 1,0 свая работает по жесткой схеме; при 1,0 ≤ Кж ≤ 2,0 свая конечной жест-кости; при Кж > 2,0 свая работает по гибкой схеме.Рассчитанный параметр жесткости для данных комбинаций геометрических пара-метров крупномасштабных буронабивных свай и грунтовых условий представлен в табл. 2.Таблица 2Результаты расчета параметра жесткости КжTable 2Results of calculation of the rigidity parameter КrigМодуль деформацииE, кН/м2 Длина сваи L, м 5,0 10 15,0 Диаметр сваи D, м Диаметр сваи D, м Диаметр сваи D, м 1 1,5 2 1 1,5 2 1 1,5 25000 2,9 14,9 46,9 0,7 3,7 11,7 0,3 1,7 5,215000 1,0 5,0 15,6 0,2 1,2 3,9 0,1 0,6 1,730000 0,5 2,5 7,8 0,1 0,6 2,0 0,1 0,3 0,9Сходимость результатов, полученных численным моделированием (табл. 1), и резуль-татов, полученных по формуле (5) (табл. 2), высока для «жестких» и «гибких» схем и имеет небольшое расхождение для схем конечной жесткости. Небольшое расхождение ожидаемо, поскольку такая деформированная схема имеет переходный характер.РезультатыПо результатам численных исследований получены формулы (5) и (6) для расчета па-раметра Кж, в соответствии с которым можно определить характер деформирования круп-номасштабной буронабивной горизонтально нагруженной сваи в грунте по одной из схем: гибкой, жесткой и конечной жесткости.Коэффициент жесткости целесообразно использовать только для предварительной оцен¬ки схемы работы одиночной крупномасштабной горизонтально нагруженной бурона-бивной сваи.ВыводыКрупноразмерные горизонтально нагруженные буронабивные сваи в зависимости от соотношения геометрических размеров и грунтовых условий могут работать по различным схемам деформирования: жесткой, гибкой или конечной жесткости, что следует учитывать при выборе расчетной схемы для разработки методов расчета.Для определения схемы деформирования крупномасштабной буронабивной горизон-тально нагруженной сваи получен безразмерный параметр Кж. В зависимости от числен-ного значения данного коэффициента горизонтально нагруженная свая будет работать по одной из схем: жесткой, гибкой или конечной жесткости.

About the authors

E. V. Kurguzova

Russian University of Transport (MIIT); Podzemproekt

A. L. Gotman

Russian University of Transport (MIIT); Podzemproekt; Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures

References

Statistics

Views

Abstract - 5

PDF (Russian) - 3

Refbacks

• There are currently no refbacks.