Full Text

Эффективность свайных фундаментов, их применение в сложных грунтовых условиях, надежность и технологичность не требуют доказательств. Современное высотное строительство зданий с большими нагрузками на фундаменты и строительство в условиях плотной застройки также нуждаются в применении надежных свайных фундаментных конструкций с высокой удельной несущей способностью [1]. Считается, что изученность работы свай в составе различных фундаментов достаточно велика. Следует заметить, что история применения свай в строительстве насчитывает сотни лет, но до сих пор остаются нерешенными многие вопросы, не нашедшие отражение в строительных нормах. Расчет несущей способности одиночной сваи по грунту выполняется из учета сопротивления сваи по боковой и лобовой поверхностям. При этом несущая способность свайного фундамента в целом равна сумме несущих способностей входящих в состав фундамента одиночных свай [2, 3]. Одновременно с этим модель работы фундамента с забивными сваями подразумевает практически полное зажатие грунта между сваями [4], что противоречит модели работы одиночной сваи. При расчете осадки свайного фундамента учитывается осадка условного фундамента как единого целого столбчатого фундамента, состоящего из ростверка, забитых свай и зажатого между ними грунта, где вообще исключены проскальзывание свай в грунте и, как следствие, работа свай по боковой поверхности. При этом деформации свай не учитываются. Таким образом, до настоящего времени, для расчета несущей способности и осадки свайного фундамента с жестким ростверком используются две различные и не связанные между собой расчетные модели. Одновременно с этим при расчете фундаментов современных высотных зданий со сваями большой длины (более 40 м) основным моментом, влияющим на осадки фундамента, является не несущая способность одиночной сваи, а деформации грунта межсвайного пространства и ниже конца свай [5]. Некоторыми исследователями замечено, что для фундаментов из коротких свай предпосылка о недеформируемости межсвайного грунта не выполняется. По результатам опытов с кустами и лентами было установлено, что деформации грунтов в пределах длины сваи составляли в ряде случаев более 50 % от осадки ростверка [6]. Осадка одиночной висячей сваи, соответствующая ее несущей способности, очень мала. Чем больше свай в группе и меньше их шаг, тем больше проявляется эффект взаимного влияния. В такой ситуации расчетная осадка одиночных свай не имеет практического значения, и проектирование фундаментов следует проводить по деформированной схеме [7]. Развитие науки, техники и программного обеспечения, основанного на МКЭ, позволяет проводить серии численных экспериментов и качественный анализ работы свайных фундаментов, не тратя время и средства на проведение дорогостоящих натурных исследований. В качестве предмета для численных исследований распределения нагрузок в сваях, находящихся в составе свайного фундамента, были приняты пяти- и девятисвайные кусты, объединенные высоким жестким ростверком. Для возможности сопоставления результатов настоящей работы с другими исследованиями в этой области данные физико-механических характеристик грунтов приняты согласно работе [8]. Расчеты осадок и напряженно-деформированного состояния основания выполнялись как в линейной постановке по модели линейно деформируемого твердого тела (ЛДТТ), так и в нелинейной постановке по упругопластической модели Мора-Кулона. Расчет выполнялся в геотехнической программе Plaxis. Деформации основания от собственного веса грунта, изготовления фундаментов и устройства свай обнулялись. Полученные графики «нагрузка - осадка», рассчитанные в нелинейной постановке по упругопластической модели Мора-Кулона, приведены для одиночной сваи, пяти- и девятисвайных фундаментов на рис. 1 и построены в пределах удельной нагрузки на одну сваю, равной 865 кН, при несущей способности одиночной сваи 665 кН. Учитывая, что в пяти- и девятисвайных фундаментах удельная нагрузка при расчете на одну сваю одинакова, более пологий график «нагрузка - осадка» имеет девятисвайный фундамент, что объясняется большим вкладом площади условного фундамента при расчете осадки на деформативность основания, а явно выраженный «срыв» наблюдается у одиночной сваи. Так, отношение площади проекции свайного фундамента к боковой поверхности фундамента, сформированной сваями и зажатым между ними грунтом, составило для одиночной сваи 0,0125, для пятисвайного фундамента - 0,0667, для девятисвайного фундамента - 0,0875. Очевидно, что более пологие графики «нагрузка - осадка» для фундаментов позволяют допускать их большие осадки без возможного «срыва» и потери устойчивости грунтового основания. В табл. 1 приведены данные осадок фундаментов, рассчитанные согласно СП 24.13330.11 и полученные при численном моделировании по моделям ЛДТТ и Мора-Кулона при удельной нагрузке на сваю 665 кН. Осадки, полученные по модели Мора-Кулона, хорошо коррелируются с расчетом по СП 24.13330.2011, с погрешностью от 11 до -10 %. Следует отметить, что на начальных этапах нагружения осадки по модели ЛДТТ были ближе к СП 24.13330.2011, чем осадки по модели Мора-Кулона. Рис. 1. Графики «нагрузка - осадка» для одиночной сваи, пяти- и девятисвайных фундаментов по модели Мора-Кулона Fig. 1. Graphs of “load - settlement” for the single pile, 5- and 9-pile foundations on the model of Mohr-Coulomb Таблица 1 Сравнительные данные осадок фундаментов по СП 24.13330. 2011 и Plaxis (модели ЛДТТ и Мора-Кулона) при удельной нагрузке на сваю 665 кН Table 1 Comparative data foundations pellet at SP 24.13330.2011 and Plaxis (models linearly deformable solid bodies and Mohr-Coulomb) when the specific load on the pile 665 kN Вид фундамента Расчетная модель, мм СП 24.13330.2011 ЛДТТ Мора-Кулона Пятисвайный фундамент 67 30,6 (54 %) 59,4 (11 %) Девятисвайный фундамент 93 47,5 (49 %) 102,9 (-10 %) В табл. 2 и 3 приведено распределение нагрузки в сваях пяти- и девятисвайных фундаментов, полученной по модели Мора-Кулона на всех этапах нагружения фундаментов, и по модели ЛДТТ при осадке, соответствующей удельной нагрузке на сваю 665 кН. В правой части табл. 2 и 3 приведен ключевой показатель - отношение усилия в центральной (и средней в ряду) свае к усилию в крайней свае. Для пятисвайного фундамента по модели ЛДТТ получилось, что центральная свая загружена только на 41 % от усилия в угловой свае. По модели Мора-Кулона усилие в центральной свае также значительно меньше, чем в угловой свае, и составляет от 57 % при осадке 5,6 мм до 87 % при осадке 113,7 мм. Следует обратить внимание, что при осадке 113,7 мм усилия как в центральной, так и в угловой сваях превышают несущую способность одиночной сваи, однако осадки фундамента в целом остаются в пределах допустимых значений. Таблица 2 Усилия в сваях пятисвайного фундамента при расчете в Plaxis Table 2 Efforts in pile 5-pile foundation calculation in Plaxis Осадка сваи, мм Доля нагрузки, воспринимаемой сваей, кН Отношение усилия в центральной свае к усилию в крайней свае, Nц/Nу угловой Nу центральной Nц По модели Мора-Кулона 0 0 0 0 5,6 226,5 128 0,57 19 440 303 0,69 36,7 545 425 0,78 59,4* 652 540 0,83 113,7 846,5 736,6 0,87 По модели ЛДТТ 30,6* 727,5 297,8 0,41 Примечание: * - осадка соответствует удельной нагрузке на сваю 665 кН. Для девятисвайного фундамента по модели ЛДТТ также получилось, что центральная свая загружена на 41 % от усилия в угловой свае, при этом средняя в ряду свая, расположенная по наружной грани между угловыми сваями, оказалась загружена на 64 % от усилия в угловой свае. По модели Мора-Кулона усилие в центральной свае также значительно меньше, чем в угловой свае, и составляет от 42 % при осадке 6,4 мм до 85 % при осадке 180,1 мм, а усилие в средней в ряду свае составило от 78 до 101 % при соответствующих осадках. Превышение удельных нагрузок на сваю так же, как и в пятисвайном фундаменте, не привело к срыву девятисвайного фундамента при осадке 180,1 мм, находящейся на грани допустимых значений осадок. Из анализа данных, представленных в табл. 2, 3, становиться очевидным, что чем ближе к центру фундамента расположены сваи в составе столбчатого фундамента, тем в них усилие меньше, а чем сваи больше соприкасаются с внешним грунтом вокруг фундамента, тем больше вовлекаются в работу. Одновременно с этим при увеличении осадок и учете нелинейных свойств грунтового основания сваи, расположенные внутри фундамента, больше вовлекаются в работу за счет распределительной способности грунтового основания. Таблица 3 Усилия в сваях девятисвайного фундамента при расчете в Plaxis Table 3 Efforts in pile 9-pile foundation calculation in Plaxis Осадка сваи, мм Доля нагрузки, воспринимаемой сваей, кН Отношение усилия в средней в ряду и центральной сваях к усилию в угловой свае угловой Nу средней в ряду Nср центральной Nц Nср/Nу Nц/Nу По модели Мора-Кулона 0 0 0 0 0 0 6,4 189,3 146,9 79,6 0,78 0,42 19,1 364 297,7 189,7 0,82/**0,76 0,52/**0,7 53,3 513,8 475,1 373,3 0,92/**0,95 0,73/**0,6 102,9* 664,9 652,9 536,8 0,98 0,81 180,1 852,5 864,2 722,3 1,01 0,85 по модели ЛДТТ 47,5* 848,3 540,8 222,9 0,64 0,41 Примечание: * - осадка соответствует удельной нагрузке на сваю 665 кН; ** - по данным А.А. Бартоломея [2]. На рис. 2 и 3 приведены усилия в сваях на всех этапах загружения фундаментов, полученных в результате численного моделирования по модели Мора-Кулона. Рис. 2. Графики распределения нагрузок между сваями в составе пятисвайного фундамента по модели Мора-Кулона Fig. 2. Graphs of the distribution of loads between the piles in the composition of the 5-pile foundation model Mohr-Coulomb Рис. 3. Графики распределения нагрузок между сваями в составе девятисвайного фундамента по модели Мора-Кулона Fig. 3. Graphs of the distribution of loads between the piles in the composition of the 9-pile foundation in model Mohr-Coulomb Из анализа графиков на рис. 2 и 3 можно сделать вывод, что работа внутренних и внешних свай в составе свайных кустов отличается коренным образом. Усилия во внутренних сваях, даже при больших осадках, на последних этапах нагружения не приближаются к усилиям во внешних сваях и составляют до 87 % от последних. В то же время внешние сваи (как крайние, так и средние в ряду для девятисвайного фундамента) воспринимают практически равные усилия, в особенности при предельных осадках. В целом результаты проведенных численных исследований хорошо коррелируют с экспериментальными исследованиями А.А. Бартоломея [2]. При исследовании работы девятисвайного фундамента с низким ростверком на пятиметровых забивных сваях получено похожее распределение доли нагрузки между крайней, средней в ряду и центральной сваями (см. табл. 3). По результатам выполненных численных исследований работы пяти- и девятисвайных фундаментов с высоким жестким ростверком можно сделать следующие выводы: 1. Результаты нелинейного расчета осадок по модели Мора-Кулона оказались близки к расчету осадок по СП 24.13330.2011 с погрешностью до 11 %. 2. При определении реакций в сваях оказалось, что распределение нагрузки между сваями по модели Мора-Кулона более равномерное, чем по модели ЛДТТ. 3. Внешние сваи всегда загружены больше, чем внутренние, причем при увеличении осадок доля нагрузки в центральной свае приближается к 87 % от реакций в угловых сваях. 4. Работа внешних свай - угловых и средних в ряду - близка между собой, в особенности при предельных осадках. В дальнейших исследованиях следует оценить работу свайных фундаментов с большим количеством свай в кусте, различной длиной и шагом, а также учесть в работе вклад низкого ростверка.

About the authors

A. P Malyshkin

Industrial University of Tiumen

A. V Esipov

Industrial University of Tiumen

References

Statistics

Views

Abstract - 85

Refbacks

• There are currently no refbacks.