Full Text

В сложившейся практике проектирования и существующей системе требований государственной экспертизы проектной документации нахождение оптимальной конструкции несущих элементов и фундаментов сооружения должно вестись путем разработки нескольких вариантов конструктивных систем, и этот процесс принято называть вариантным проектированием. Проектировщик, рассчитав произвольно пару вариантов фундаментных конструкций, полагает, что эти требования формально выполнены, однако на практике задача оптимизации строительных конструкций и фундаментов не решается, тем более что заказчик, желая сэкономить, требования вариантного проектирования в техническое задание на проектирование не закладывает. В строительстве под оптимальной конструкцией понимается такая конструктивная система, у которой при обязательном выполнении каких-либо необходимых требований: несущей способности, жесткости, прочности, устойчивости и т.д. - один или несколько параметров, например материалоемкость или стоимость строительства, являются минимальными [1]. В математике этот процесс называется нахождением условного экстремума, который сводится к нахождению минимума целевой функции (например, расход бетона на фундамент) при условии, что аргументы функции связаны между собой уравнением связи (например, несущая способность фундамента) [2]. Ситуация осложняется большим количеством одновременно действующих требований к одной и той же конструкции: стоимость и трудоемкость изготовления, транспортабельность, материалоемкость, надежность, долговечность и т.д., как правило, приводящих к совершенно противоположным результатам проектирования. Иными словами, долговечность и надежность нередко идут в противоречие с материалоемкостью конструкций, а транспортабельность отдельных конструкций противоречит скорости возведения сооружения в целом. Если говорить только о расчетной инженерной стороне вопроса, то задача нахождения оптимальной конструкции фундамента сводится к разработке такой эффективной конструкции, в которой не будет условно лишних элементов, а оптимальной конструкция фундамента будет в том случае, когда отдельные элементы фундамента (ростверк и сваи) будут полностью исчерпывать свою несущую способность в одно и то же время. Таким образом, совершенствование методов расчета и оптимальное проектирование любой инженерной системы в целом и конструкций свайных фундаментов в частности являются важными задачами для инженера-конструктора. В действительности сваи в составе фундамента при загружении его сосредоточенной силой воспринимают разные нагрузки [3]. Распределение нагрузок между сваями в составе фундамента связано с их взаимным влиянием и особенностями физико-механических характеристик грунтового основания. В связи с этим оптимальное распределение свай в составе фундамента, применение свай различной длины и конструкции в составе одного фундамента являются задачами повышения эффективности и оптимального проектирования свайных фундаментов. Предметом представленных в настоящей статье численных исследований явились четырех-, пяти-, восьми- и девятисвайные кусты, объединенные высоким жестким ростверком. Целью работы стало проведение качественной и количественной сравнительной оценки работы столбчатых пяти- и девяти-, а также четырех- и восьмисвайных фундаментов. Особенностью конструкций четырех- и восьмисвайных фундаментов явилось то, что их габариты и расположение свай получались автоматически, путем удаления центральной сваи из пяти- и девятисвайных фундаментов. Геометрические размеры свайных кустов представлены на рис. 1. б а Рис. 1. Геометрические параметры свайных фундаментов: а - пяти-, четырехсвайный фундамент; б - девяти-, восьмисвайный фундамент Fig. 1. The geometric parameters of pile foundations: а - 5-, 4-pile foundation; b - 9-, 8-pile foundation В ходе работы: - выполнено сравнение осадок пяти- и четырех-, а также девяти- и восьмисвайных фундаментов между собой; - найдены усилия в сваях в составе четырех-, пяти-, восьми- и девятисвайных фундаментов; - определены изгибающие моменты в ростверках, выполнено их сравнение для пяти- и четырех-, а также девяти- и восьмисвайных фундаментов; - сделаны выводы об изменении осадок фундаментов в случае разреженного шага свай. Поскольку настоящая работа является фрагментом более больших численных экспериментов авторов в данной области, для возможности сопоставления результатов физико-механические характеристики грунтов приняты согласно СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Расчеты осадок и напряженно-деформированного состояния грунтового основания, распределение усилий между сваями и оценка усилий в ростверках выполнялись в нелинейной постановке по упругопластической модели Мора-Кулона и в линейной постановке по подели линейно деформируемого твердого тела (ЛДТТ) в геотехнической программе Plaxis 3D Foundation. Деформации основания от собственного веса грунта, изготовления фундаментов и устройства свай не учитывались. Несущая способность одиночной призматической железобетонной сваи С60-30 длиной 6 м, сечением 300×300 мм при осадке s = ζ · su, mt = 0,2·150 = 30 мм согласно п. 7.3.5 СП 24.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» составила 665 кН см. График «нагрузка - осадка» представлен на рис. 2. Рис. 2. График «нагрузка - осадка» для одиночной сваи С60-30 Fig. 2. Graph load - settlement for single pile C60-30 При удельной нагрузке на сваю 665 кН предельная нагрузка на четырех- и пятисвайные кусты составляет 3325 кН, на восьми- и девятисвайные - 5985 кН. При этом для построения графиков «нагрузка - осадка» максимальная нагрузка на свайные кусты задавалась больше расчетной несущей способности фундаментов 4326 и 7780 кН. На рис. 3 представлено сравнение графиков «нагрузка - осадка» для четырех-, пяти-, восьми- и девятисвайных фундаментов. Вертикальные линии отражают несущую способность пяти- и девятисвайных фундаментов. HC девятисвайного фундамента ф HC пятисвайного фундамента ф Рис. 3. Графики «нагрузка - осадка» для пяти-, четырех-, девяти- и восьмисвайных фундаментов по модели Мора-Кулона Fig. 3. Graphs of load - settlement 5-, 4-, 9- and 8-pile foundations on the model of Mohr-Coulomb В табл. 1 приведено сравнение осадок фундаментов при нагрузке соответствующей несущей способности пяти- и девятисвайных фундаментов. Таблица 1 Сравнение осадок пяти-, четырех-, девяти- и восьмисвайных фундаментов при нагрузке на фундамент, соответствующей несущей способности сваи Table 1 Comparison of the precipitate of 5- and 4-, 9- and 8-pile foundation load on foundation relevant bearing capacity of the pile Нагрузка на фундамент, кН Классический фундамент Фундамент с удаленной центральной сваей Приращение осадки, мм Приращение осадки, % 3325 Осадка пятисвайного фундамента, равная 59,4 мм Осадка четырехсвайного фундамента, равная 63,9 мм 4,5 7,6 5985 Осадка девятисвайного фундамента, равная 102,9 мм Осадка восьмисвайного фундамента, равная 105,9мм 3 2,9 Из табл. 1 видно, что виртуальное удаление центральной сваи в пяти- и девятисвайных фундаментах привело к образованию четырех- и восьмисвайных фундаментов, расчетная осадка которых увеличилась на 4,5 (7,6 %) и 3 мм (2,9 %) при расчетной перегрузке фундаментов на 20 и 11 % соответственно. Непропорциональная зависимость между увеличением нагрузки на сваю и ростом осадки фундамента в целом объясняется перераспределением деформаций в межсвайном пространстве. На рис. 4, 5 представлены изолинии деформаций в основании пяти- и четырехсвайных фундаментов. [·10-3 м] [·10-3 м] а б Рис. 4. Распределение деформаций в основании пяти- и четырехсвайных фундаментов по модели Мора-Кулона (сечение по центральной свае): а - пятисвайный фундамент; б - четырехсвайный фундамент Fig. 4. The strain distribution in the base 5- and 4-pile foundations on the model of Mohr-Coulomb (cross-section along the central pile): a - 5-pile foundation; b - 4-pile foundation [·10-3 м] [·10-3 м] а б Рис. 5. Распределение деформаций в основании пяти- и четырехсвайных фундаментов по модели Мора-Кулона (сечение по крайним сваям): а - пятисвайный фундамент; б - четырехсвайный фундамент Fig. 5. The strain distribution in the base 5- and 4-pile foundations on the model of Mohr-Coulomb (cross-section at piles): a - 5-pile foundation; b - 4-pile foundation На рис. 6 представлены изолинии деформаций в основании девяти- и восьмисвайных фундаментов. [·10-3 м] [·10-3 м] а б Рис. 6. Распределение деформаций в основании девяти- и восьмисвайных фундаментов по модели Мора-Кулона (сечение по центру фундамента): а - девятисвайный фундамент; б - восьмисвайный фундамент Fig. 6. The strain distribution in the base 9-, and 8-pile foundations on the model of Mohr-Coulomb (cross-section in the center of the foundation): a - 9-pile foundation; b - 8-pile foundation На рис. 4-6 видно, что виртуальное удаление центральной сваи и видоизменение конструкции фундамента приводят к изменению характера кривых деформаций грунта. Однако взаимное влияние свай в кусте и наложение зон напряжений не позволяют работать сваям, оставшимся в составе фундамента, как одиночным. Одновременно с этим численное моделирование не учитывает уплотнения грунта в межсвайном пространстве, возникающее при забивке свай, что еще более увеличивает их взаимное влияние и совместную работу. Распределение нагрузки между сваями в линейной и нелинейной постановке задачи представлены в табл. 2, 3. Таблица 2 Распределение нагрузки в сваях по модели ЛДТТ, кН Table 2 Load distribution in piles on the model of linearly deformable solid bodies, kN Расположение сваи в ростверке Ростверк 1,6×1,6 м с нагрузкой 3325 кН Ростверк 2,1×2,1 м с нагрузкой 5985 кН 5 свай 4 сваи Δ, % 9 свай 8 свай Δ, % Угловая 727,5 789,97 9,8 848,3 864,8 1,9 Средняя в ряду - - - 540,86 577,98 6,9 Центральная 297,8 - - 222,98 - - В упругой постановке задачи при расчете грунтового основания по модели ЛДТТ усилия, возникающие в центральной свае, незначительные и составляют для пятисвайного фундамента 40 %, для девятисвайного фундамента 26 %, считая от усилия в угловой свае (см. табл. 2). Увеличение усилий в сваях в четырех- и восьмисвайных фундаментах по отношению к сваям в пяти- и девятисвайных фундаментах также незначительное. В четырехсвайном фундаменте нагрузка на сваю увеличилась на 9,8 %. В восьмисвайном фундаменте нагрузка на угловую сваю выросла на 1,9 %, на среднюю в ряду сваю - на 6,9 %. Таблица 3 Распределение нагрузки в сваях по модели Мора-Кулона, кН Table 3 Load distribution in piles on the model of Mohr-Coulomb, kN Расположение сваи в ростверке Ростверк 1,6×1,6 м с нагрузкой 3325 кН Ростверк 2,1×2,1 м с нагрузкой 5985 кН 5 свай 4 сваи Δ, % 9 свай 8 свай Δ, % Угловая 652 802,3 23 664,9 717,52 7,9 Средняя в ряду - - - 652,9 737,8 13 Центральная 540 - - 536,8 - - В упругопластической постановке задачи при расчете грунтового основания по модели Мора-Кулона усилия в центральной свае для пятисвайного фундамента на 18 % меньше, чем усилие в крайней свае, для девятисвайного фундамента - на 20 % (см. табл. 3). В четырехсвайном фундаменте по отношению к пятисвайному нагрузка на сваю увеличилась на 23 %. В восьмисвайном фундаменте по отношению к девятисвайному нагрузка на угловую сваю выросла на 7,9 %, на среднюю в ряду сваю - на 13 %. Виртуальное удаление центральной сваи приводит также к увеличению внутренних усилий в ростверках. Изгибающие моменты в ростверках четырех-, пяти-, восьми- и девятисвайных фундаментов приведены в табл. 4. Таблица 4 Изгибающие моменты и продольное армирование в ростверках* Table 4 Bending moments and longitudinal reinforcement in pile caps Показатель Ростверк 1,6×1,6 м с нагрузкой 3325 кН Ростверк 2,1×2,1 м с нагрузкой 5985 кН 5 свай 4 сваи Δ, % 9 свай 8 свай Δ, % Изгибающий момент, кН·м 174,2 265,8 52,5 177,2 261,8 47,7 Требуемая арматура А400 Ø = 12 мм, S = 200 мм Ø = 14 мм, S = 200 мм - Ø 12 мм, S = 200 мм Ø = 14 мм, S = 200 мм - Примечание:* - при толщине ростверка 600 мм. Изгибающие моменты в плите ростверка четырехсвайного фундамента по отношению к пятисвайному выросли на 52,5 %, в плите ростверка восьмисвайного фундамента по отношению к девятисвайному - на 47,7 %. Увеличение внутренних усилий привело также к необходимости увеличения армирования продольной арматурой. Диаметр (Ø) требуемой арматуры увеличился на один типоразмер с 12 до 14 мм, что, в свою очередь, некритично. По результатам выполненных численных исследований работы столбчатых пяти- и девяти-, а также четырех- и восьмисвайных фундаментов можно сделать следующие выводы: 1. Сокращение количества свай в фундаменте приводит к гораздо меньшему приращению его осадки, что весьма эффективно при создании экономичных конструкций фундаментов и проектировании их по предельным осадкам. 2. Незначительное увеличение осадок четырех- и восьмисвайных фундаментов по отношению к осадкам пяти- и девятисвайных фундаментов, а также превышение усилий в сваях по отношению к их теоретической несущей способности не привело к провальным осадкам и «срыву» фундаментов. 3. Превышение нагрузки на сваю в составе фундамента более чем несущая способность одиночной сваи не привело к большим дополнительным осадкам фундаментов. В качестве задач дальнейших исследований следует подтвердить полученные результаты натурными экспериментами и создать предпосылки для получения новой аналитической модели расчета свайных фундаментов с разреженным шагом свай.

About the authors

A. P Malyshkin

Industrial University of Tiumen

A. V Esipov

Industrial University of Tiumen

References

Statistics

Views

Abstract - 123

Refbacks

• There are currently no refbacks.