Моделирование напряженно-деформированного состояния основания свайного фундамента с плитным ростверком высотного здания
При устройстве свайного фундамента 25-ти этажного высотного здания, часть свай оказалась недопогруженной до проектных отметок вследствие уплотнения грунтов в межсвайном пространстве и под острием свай. В связи с этим возникла необходимость в оценке влияния уплотненного грунта на напряженно-деформированное состояние основания свайного фундамента с плитным ростверком. Моделирование основания выполнено с использованием модели линейно/нелинейно деформируемой среды в ПВК MicroFe с использованием теории прочности Кулона-Мора в системе «основание–фундамент–здание». Выполнено сравнение напряженно-деформированного состояния основания свайного фундамента при упругой и неупругой работе грунтов.
Ключевые слова: свайный фундамент с плитным ростверком, основание, уплотнение грунта, моделирование, расчетная модель, линейный и нелинейный расчеты
При устройстве свайного фундамента высотного 25-ти этажного здания, часть свай оказалась недопогруженной до проектных отметок. Основной причиной недопогружения свай являлось уплотнение грунтов в межсвайном пространстве и под острием свай. В этой связи возникла необходимость в оценке влияния на напряженно-деформированное состояние основания свайного фундамента с плитным ростверком уплотненного грунта в межсвайном пространстве и под острием свай.
В соответствие с поставленной задачей были изучены материалы инженерно-геологических изысканий, проанализированы условия залегания, состав и физико-механические свойства грунтов, изучены планы свайных полей и журналы забивки свай, а также материалы испытаний свай статическими вдавливающими нагрузками.
|
|
|
Для решения поставленной задачи использовалось моделирование напряженно-деформированного состояния свайного фундамента с плитным ростверком с разработкой расчетной модели системы «основание–фундамент–здание» с учетом количественной оценки степени уплотнения грунтов в межсвайном пространстве и под острием свай [1-2].
В расчете свайного фундамента основным является не несущая способность одиночной сваи, а деформации грунта межсвайного пространства и деформации грунта, расположенного под острием свай [3]. Наличие в грунте основания конструктивных элементов в виде свай оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) грунта, начиная с «зависания» грунта на сваях и заканчивая увеличением глубины сжимаемой толщи [4].
Моделирование основания с использованием модели линейно/нелинейно деформируемой среды, следует выполнять с размерами грунтового основания в расчетной схеме в горизонтальном направлении не менее трех сторон здания или двух глубин сжимаемой толщи и одной стороны здания [5].
|
|
|
Модель линейно-деформированного основания, в которой грунтовая среда представляется упругим материалом, основана на двух допущениях: осадка точки поверхности основания прямо пропорциональна величине нагрузки в этой точке; осадки распространяются за пределы площади нагружения [6-8]. При использовании общетехнических программ STARC ES, ПК Лира, ПК SCAD Office и др. наиболее распространенной является модель упругого основания в виде массива объемных конечных элементов [9, 10].
Для анализа осадок точечных строительных объектов, например высотных зданий, рекомендуется использование пространственных упругопластических моделей оснований, при деформировании которых начало появление пластических деформаций в грунте характеризуется предельным значением девиатора напряжений, который можно определить, например, из условия прочности Кулона-Мора по параметрам φ и с [5].
ПВК MicroFe позволяет учитывать неупругие свойства грунта по теории прочности Кулона-Мора или по модели Cam-Clay («шатровая»), при наличии твердых пород грунта можно использовать модель скального грунта. Нелинейный расчет основания выполняется с заданием модуля деформации, коэффициента Пуассона, плотности, сцепления, угла внутреннего трения, угла делатансии, коэффициента всестороннего сжатия [11].
|
|
|
Строительная площадка рассматриваемого высотного здания расположена в северо-восточной части г. Томска в пределах Томь-Яйского водораздела. На данной площадке инженерно-геологический разрез изучен до глубины 43,0 м (рис. 1).
Верхнюю часть разреза до глубины 6,7-7,3 м слагают аллювиально-озерные суглинки мягкопластичной и тугопластичной консистенций. Ниже до глубины 19,1-19,5 м залегают супеси, которые в интервале 9,1-11,2 м содержат прослой суглинка мягкопластичного. До глубины 16,0-16,4 м супеси имеют твердую консистенцию, ниже – до глубины 19,2-19,5 м – текучую консистенцию. Далее с глубины 19,2-19,5 м и до 31,3-31,8 м залегают суглинки тугопластичные с тонкими прослоями и линзами супеси и песка мелкого. Ниже, в интервале 31,3-34,2 м залегает глина зеленовато-серого цвета полутвердой консистенции. С глубины 34,2 до 43,0 м расположены пески средние, обводненные.
В пределах разреза выделено два водоносных горизонта. Верхний водоносный горизонт залегает в интервале 16,6-19,2 м, а нижний от 34,2до 43 м и ниже. Водовмещающими слоями для верхнего водоносного горизонта являются супеси текучие, а для нижнего – пески средние водонасыщенные. Подземные воды порово-пластового типа, безнапорные. Питание их осуществляется за счет атмосферных осадков. Область разгрузки находится за пределами площадки.
|
|
|
Анализ изменения физико-механических свойств инженерно-геологических элементов для суглинков, супесей и глин показывает, что они имеют различную степень уплотнения, показателями которой являются плотность сухого (скелета) грунта ρd и коэффициент пористости (e). Для суглинка мягкопластичного (ИГЭ-304) ρd изменяется от 1,47 до 1,66 г/см3, e – от 0,63 до 0,82. Для суглинка тугопластичной консистенции (ИГЭ-303) ρd изменяется от 1,42 до 1,75 г/см3, e – от 0,55 до 0,88. Супесь текучей консистенции (ИГЭ-406) имеет разброс значений ρd от 1,53 до 1,72 г/см3, e – от 0,57 до 0,76. Супесь твердой консистенции (ИГЭ-401) имеет разброс значений по ρd от 1,53 до 1,91 г/см3, а по e – от 0,41 до 0,77. Для глин полутвердой консистенции (ИГЭ-202) ρd 
колеблется от 1,59 до 1,74 г/см3, а e – от 0,57 до 0,65.
Как видно из приведенных минимальных и максимальных значений показателей плотности сухого грунта и коэффициента пористости, изученная толща по этим показателям не однородна и характеризуется чередованием уплотненных и недоуплотненных зон, образовавшихся в процессе формирования отложений в условиях фильтрационной (нормального оттока поровой воды) и не фильтрационной (затрудненного оттока) консолидации грунтов.
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез
Использование методов математической статистики, при обработке частных значений показателей свойств грунтов, способствует сглаживанию и усреднению их неоднородности. Результатом такой обработки является получение нормативных и расчетных показателей для выделенных инженерно-геологических элементов. Усредненные значения показателей свойств грунтов и их расчетные значения используются при проектировании фундаментов. При этом практически не учитывается степень уплотнения грунтов в межсвайном пространстве.
При забивке свай происходит уплотнение грунта за счет внедрения в массив дополнительного объема. При этом считается, что зона уплотнения грунта вокруг сваи составляет примерно полтора ее диаметра, а за пределами зоны, уплотнение грунта незначительно и им можно пренебречь. Однако, граница зоны уплотнения грунта может достигать 6-7 диаметров свай. При забивке второй и последующих свай на расстоянии 3-4 диаметров, плотность грунтов постепенно увеличивается, что приводит к тому, что последующие сваи забиваются с большими усилиями, чем предыдущие, а в ряде случаев сваи становятся недопогруженными до проектных отметок.
Забивка свай сопровождается уплотнением грунтов, отжатием поровой воды, изменением порового пространства и ориентировки частиц грунта. В свою очередь увеличение плотности скелета и уменьшение коэффициента пористости способствует снижению первичной влажности и переходу, например, глинистых грунтов в более низкую категорию по показателю текучести (из мягкопластичной в полутвердую). При массовой забивке свай в котловане, степень уплотнения грунтов достигает максимальных значений. При этом резко уменьшается влажность грунтов и они переходят в разряд твердых или полутвердых по показателю текучести.
Для решения поставленной задачи о причинах недопогружения свай и оценке их несущей способности были использованы теоретические разработки в области теории гравитационного уплотнения горных пород [12], согласно которой масса грунта при его уплотнении остается постоянной, изменяется только его объем. Учитывая, что нормативная плотность частиц грунта ρs при уплотнении грунта не меняется и является его константой, то определив плотность скелета грунта после погружения свай, можно вычислить влажность, коэффициент пористости, показатель текучести и другие показатели грунта. Основные результаты расчета показателей свойств грунтов, выполненного автором [1], приведены в таблице, из которой видно, что природные суглинки мягкопластичные (ИГЭ-304) и тугопластичные (ИГЭ-303) приобрели после забивки свай твердое состояние и повышенные прочностные и деформационные характеристики.
Таблица
Основные физико-механические свойства грунтов до и после забивки свай
| № п/п | № ИГЭ | Разновидность грунта | Мощ-ность слоя, м | Плот-ность скелета, г/см3 | Коэффи-циент порис-тости | Показа-тель текучес-ти | Удель-ное сцепле-ние, кПА | Угол внутрен-него трения, град. | Модуль общей дефор-мации, МПа |
| 1 | 304 | Суглинок мягкопластичный | 2,8 | 1,570/ 1,719 | 0,720/ 0,576 | 0,60/ <0 | 20,0/ 37,0 | 18,0/ 28,0 | 13,0/ 28,0 |
| 2 | 303 | Суглинок тугопластичный | 2,1 | 1,570/ 1,719 | 0,726/ 0,576 | 0,37/ <0 | 30,9/ 37,0 | 20,1/ 28,0 | 21,8/ 28,0 |
| 4 | 401 | Супесь твердая | 7,1 | 1,740/ 1,853 | 0,550/ 0,457 | <0/ <0 | 16,8/ 21,0 | 26,3/ 36,0 | 24,7/ 36,0 |
Примечание. Приведены свойства – в числителе до, в знаменателе после забивки свай
25-этажное высотное каркасное здание размером в плане по осям 29,6 х 29,0 м высотой 79,94 м с подвалом и техническим этажом имеет систему монолитных железобетонных колонн и диафрагм жесткости, а также лифтовую шахту, являющуюся ядром жесткости каркаса.
Фундамент – плоская монолитная фундаментная плита (МФП) толщиной 180 см размером в плане по осям 29,6 х 29,0 м на забивных сваях сечением 30 х 30 см с погружением в грунт от 8 до 12 м. Отпор основания под МФП отсутствует.
В расчетной модели железобетонные монолитные конструкции – стены, стены-колонны, диафрагмы жесткости, диски перекрытий и МФП моделировались конечным элементом типа «плоский прямоугольный элемент оболочки», монолитные колонны и сборные железобетонные сваи моделировались конечным элементом типа «стержень». Материал конструкций принимался изотропным. Грунтовое основание свайного фундамента рассматривалось в виде семислойного основания из объемных конечных элементов с размером стороны элемента 0,5 м с послойным заданием: в расчетной схеме №1 – модуля деформации и коэффициента Пуассона; в расчетной схеме №2 – модуля деформации, коэффициента Пуассона, плотности, сцепления, угла внутреннего трения, угла делатансии (принят равным углу внутреннего трения без учета изменения объема грунта), коэффициента всестороннего сжатия (принят равным нулю). Сопряжение свай с МФП жесткое. Конструктивная и расчетная конечно-элементная модель высотного здания дана на рис. 2. Размер слоистого грунтового основания в плане составлял 70 м, глубина – 30,9 м.
а) б)
Рис. 2. Конструктивная (а) и расчетная (б) конечно-элементная модель высотного здания
Первая группа предельных состояний
Расчетная схема №1. При линейном деформировании основания из анализа полученных значений изополей нормальных напряжений (далее напряжения) в грунте по характерным сечениям можно отметить следующее (рис. 3, 4):
– уровень верха свай на отм. -0.500 от низа МФП. Вертикальные напряжения за контуром МФП изменяются от растягивающих значений 13,29 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -5,29 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте только сжимающие, сильно изменяются от -5,29 до -116,78 кН/м2. Горизонтальные напряжения за контуром МФП изменяются от растягивающих значений 73,20 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -3,79 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП горизонтальные напряжения в грунте только сжимающие, интенсивно изменяются от -3,79 до -388,87 кН/м2 и более, чем в три раза превышают соответствующие вертикальные напряжения;
Рис. 3. Нормальные напряжения Sz и Sу в расчетной схеме №1
Рис. 4. Нормальные напряжения Sz и Sx в расчетной схеме №1
Рис. 5. Нормальные напряжения Sz и Sу в расчетной схеме №2
Рис. 6. Нормальные напряжения Sz и Sх в расчетной схеме №2
– уровень середины свай. Вертикальные напряжения за контуром МФП сжимающие, изменяются от -0,78 кН/м2 на периферии основания до -8,51 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте также сжимающие, плавно изменяются от -11,61до -65,75 кН/м2. Вертикальные напряжения в центральной части грунтового массива крайне незначительны и близки к нулю. Горизонтальные напряжения за контуром МФП изменяются от растягивающих значений 15,92 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -8,51 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП горизонтальные напряжения в грунте только сжимающие, незначительно изменяются от -8,51 до -32,93 кН/м2 и примерно в два раза меньше соответствующих вертикальных напряжений;
– уровень острия свай. Вертикальные напряжения за контуром МФП резко изменяются от растягивающих значений 7,06 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -83,35 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте только сжимающие, сильно изменяются от -83,35 до -444,98 кН/м2. Вертикальные напряжения в центральной части основания составляют от -173,76 до -264,17 кН/м2. Горизонтальные напряжения за контуром МФП резко изменяются от растягивающих значений 25,81 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -53,51 кН/м2 в направлении МФП. В пределах МФП горизонтальные напряжения в грунте только сжимающие, незначительно изменяются от -53,51 до -93,16 кН/м2 и более, чем в четыре раза меньше соответствующих вертикальных напряжений;
Расчетная схема №2. При нелинейном деформировании основания из анализа полученных значений изополей напряжений в грунте по характерным сечениям можно отметить (рис. 5, 6):
– уровень верха свай на отм. -0.500 от низа МФП. Вертикальные напряжения за контуром МФП изменяются от растягивающих значений 4,98 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -28,31 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте только сжимающие, сильно изменяются от -28,31 до -161,45 кН/м2. Горизонтальные напряжения за контуром МФП изменяются от растягивающих значений 36,64 кН/м2 на периферии основания до сжимающих значений -38,63 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП горизонтальные напряжения в грунте только сжимающие, интенсивно изменяются от -38,63 до -302,09 кН/м2 и практически в два раза превышают соответствующие вертикальные напряжения;
– уровень середины свай. Вертикальные напряжения за контуром МФП только сжимающие, изменяются от -73,04 кН/м2 на периферии основания до -117,60 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте также сжимающие, плавно изменяются от -117,60 -162,15 кН/м2. В центральной части основания вертикальные сжимающие напряжения незначительно уменьшились и составили -73,04 – -102,75 кН/м2. Горизонтальные сжимающие напряжения за контуром МФП изменяются от -49,78 кН/м2 на периферии основания до -79,13 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП горизонтальные напряжения в грунте только сжимающие, незначительно изменяются от -79,13 до -118,25 кН/м2 и сопоставимы с соответствующими вертикальными напряжениями. В центральной части основания горизонтальные сжимающие напряжения уменьшились более, чем в два раза и составили -20,44 – -49,78 кН/м2;
– уровень острия свай. Вертикальные сжимающие напряжения за контуром МФП изменяются от -165,67 кН/м2 на периферии основания до -346,31 кН/м2 в направлении МФП. Начиная от внешнего и заканчивая внутреннем контуром МФП вертикальные напряжения в грунте только сжимающие, сильно изменяются от -346,31 до -978,54 кН/м2. Вертикальные сжимающие напряжения в центральной части основания составляют от -346,31 до -617,27 кН/м2. Горизонтальные сжимающие напряжения за контуром МФП резко изменяются от -64,99 кН/м2 на периферии основания до -264,94 кН/м2 в направлении МФП. По контуру МФП горизонтальные сжимающие напряжения изменяются от -264,94 до -331,59 кН/м2 и более, чем в три раза меньше соответствующих вертикальных напряжений. Горизонтальные сжимающие напряжения в центральной части основания составляют от -331,59 до -398,24 кН/м2;
Сравнение результатов. Анализ характера распределения нормальных напряжений при моделировании линейно/нелинейно деформируемого грунта в свайном фундаменте в целом показал его качественное совпадение, когда наибольшие напряжения возникают в уровне и под острием свай. Напряжения в грунте межсвайного пространства незначительны.
При линейной работе грунта в уровне острия свай наибольшие сжимающие напряжения составляют следующие значения: вертикальные – 444,98 кН/м2; горизонтальные – 93,16 кН/м2.
При нелинейной работе грунта в уровне острия свай наибольшие сжимающие напряжения равны: вертикальные – 978,54 кН/м2; горизонтальные – 398,24 кН/м2.
Таким образом, на уровне острия свай при учете неупругой работы грунта вертикальные и горизонтальные напряжения увеличились в 2,2 и 4,3 раза соответственно по сравнению с его упругой работой.
По нормам проектирования свайных фундаментов, расчетное сопротивление супесей под нижним концом забиваемых свай на глубине 10 м составляет R=1500 кН/м2. Так как наибольшее сжимающее напряжение в грунте σ = 978,54 кН/м2 меньше расчетного сопротивления R=1500 кН/м2, то условие по первой группы предельных состояний выполняется.
Вторая группа предельных состояний
Расчетная схема №1. Анализ результатов вертикальных перемещений при линейном деформировании грунтов в основании высотного здания по трем характерным сечениям – уровень верха свай на отм. -0.500 от низа МФП, уровень середины свай, уровень острия свай – показал следующее (рис. 7, 8):
– за внешним контуром грунтового массива диаметром ≈70 м возникают вертикальные перемещения: от положительных значений 2,48 – 3,99 мм (подъем вверх) по периферии до отрицательных значений (осадка) -8,83 – -10,28 мм;
– наибольшие вертикальные перемещения появляются в центральной части под МФП и равны -111,42 – -124,21 мм с незначительным уменьшением в направлении внешнего контура под МФП со значениями -98,63 – -111,42 мм.
Максимальные значения вертикальных перемещений грунтового массива в основании высотного здания составляют 124,21 мм и не превышают предельное значение деформации основания фундаментов для рассматриваемого типа зданий – [180 мм].
Расчетная схема №2. Анализ результатов вертикальных перемещений при нелинейном деформировании грунтов в основании высотного здания по трем характерным сечениям – уровень верха свай на отм. -0.500 от низа МФП, уровень середины свай, уровень острия свай – показал следующее (рис. 9, 10):
– за внешним контуром грунтового массива диаметром ≈50 м возникают вертикальные перемещения: от положительных значений 27,11 мм (подъем вверх) по периферии до отрицательных значений (осадка) -59,79 мм;
Рис. 7. Вертикальные и горизонтальные (по У) перемещения в расчетной схеме №1
Рис. 8. Вертикальные и горизонтальные (по Х) перемещения в расчетной схеме №1
Рис. 9. Вертикальные и горизонтальные (по У) перемещения в расчетной схеме №2
Рис. 10. Вертикальные и горизонтальные (по Х) перемещения в расчетной схеме №2
– наибольшие вертикальные перемещения появляются в центральной части под МФП и равны -233,59 – -262,55 мм с уменьшением в направлении внешнего контура под МФП со значениями -175,65 – -233,59мм.
Максимальные значения вертикальных перемещений грунтового массива в основании высотного здания составляют 262,55 мм и превышают предельное значение деформации основания фундаментов для рассматриваемого типа зданий – [180 мм].
Сравнение результатов. Анализ характера распределения вертикальных перемещений при моделировании линейно/нелинейно деформируемого грунта в свайном фундаменте в целом показал его качественное совпадение, когда наибольшие вертикальные перемещения возникают в центральной части под МФП. При учете пластических деформаций грунта лунка деформирования основания уменьшилась в диаметре с ≈70 до ≈50 м, максимальные вертикальные перемещения увеличились в 2,1 раза и составили 262,55 мм по сравнению с линейным деформированием грунта.
Учет неупругих деформаций грунта в основании высотного здания привел к не выполнению условия по второй группе предельных состояний.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 116; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!