Моделирование податливости свайного фундамента с плитным ростверком

На напряженно-деформированное состояние колонн монолитного железобетонного каркаса

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 податливости свайного фундамента с плитным ростверком на напряженно-деформированное состояние колонн монолитного железобетонного каркаса высотного здания. Моделирование выполнено с использованием одной расчетной схемы с жестким основанием и двух расчетных схем с линейно/нелинейно деформируемой грунтовой средой в ПВК MicroFe с применением теории прочности Кулона-Мора в системе «основание–фундамент–здание». Выполнено сравнение напряженно-деформированного состояния монолитных железобетонных колон каркаса на жестком основании и на податливом свайном фундаменте с плитным ростверком при упругой и неупругой работе грунтов.

Ключевые слова: расчетная модель, свайный фундамент с плитным ростверком, колонны монолитного железобетонного каркаса, жесткое и податливое основания, линейная и нелинейная работа грунтов

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 связи с этим возникла необходимость в оценке влияния податливости свайного фундамента с плитным ростверком на напряженно-деформированное состояние колонн монолитного железобетонного каркаса высотного здания.

В соответствие с поставленной задачей были изучены материалы инженерно-геологических изысканий, проанализированы условия залегания, состав и физико-механические свойства грунтов.

Для решения поставленной задачи использовалось моделирование напряженно-деформированного состояния монолитного железобетонного каркаса на свайном фундаменте с разработкой расчетной модели системы «основание–фундамент–здание» [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 грунта, начиная с его «зависания» на сваях и заканчивая увеличением глубины сжимаемой толщи [4, 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 ρ_d и коэффициент пористости (e). Для суглинка мягкопластичного (ИГЭ-304) ρ_d изменяется от 1,47 до 1,66 г/см³, e – от 0,63 до 0,82. Для суглинка тугопластичной консистенции (ИГЭ-303) ρ_d изменяется от 1,42 до 1,75 г/см³, e – от 0,55 до 0,88. Супесь текучей консистенции (ИГЭ-406) имеет разброс значений ρ_d от 1,53 до 1,72 г/см³, e – от 0,57 до 0,76. Супесь твердой консистенции (ИГЭ-401) имеет разброс значений по ρ_d от 1,53 до 1,91 г/см³, а по e – от 0,41 до 0,77. Для глин полутвердой консистенции (ИГЭ-202) ρ_d 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

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 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 ρ_s 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 [12], 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 с техническим этажом имеет систему монолитных железобетонных колонн и диафрагм жесткости, а также лифтовую шахту, являющуюся ядром жесткости каркаса. Элементы каркаса представляют собой колонны «Г-образного» и прямоугольного сечений с толщиной стенки 20 см, а также колонны квадратного сечения 40 х 40 см, диафрагмы жесткости и стены лифтовой шахты имеют толщину 20 см. Класс бетона элементов каркаса – В30. Несущие элементы перекрытий и покрытия – сборно-монолитные ригели по системе Рекон с жестким сопряжением с колоннами и с заполнением в пределах ячейки из сборных железобетонных многопустотных плит толщиной 220 мм.

Фундамент – монолитная фундаментная плита (МФП) толщиной 180 см на забивных сваях сечением 30 х 30 см с погружением в грунт от 8 до 12 м. Под МФП устроена бетонная подготовка толщиной 150 мм. Отпор под МФП отсутствует.

Геометрическая неизменяемость каркаса здания обеспечивается образованием жесткого соединения колонн с МФП, жесткого сопряжения колонн с ригелями, монолитными диафрагмами жесткости, стенами подвала и горизонтальными дисками перекрытий.

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 конечного элемента 0,5 м. Сопряжение свай с МФП жесткое. Конструктивная и расчетная конечно-элементная модель высотного здания дана на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Конструктивная (а) и расчетная (б) конечно-элементная модель высотного здания

На основе разработанной модели расчеты выполнены в трех расчетных схемах:

– расчетная схема №1 – основание каркаса задано жестким не деформируемым;

– расчетная схема №2 основание каркаса – свайный фундамент в многослойном линейно деформируемом грунте с послойным заданием модуля деформации и коэффициента Пуассона;

– расчетная схема №3 основание каркаса – свайный фундамент в многослойном нелинейно деформируемом грунте с послойным заданием 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).

Расчетная схема №1. На жестком основании в колоннах каркаса изополя вертикальных продольных сжимающих сил, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в одной из плоскостей (без оцифровки) приведены на рис. 3. Наибольшие продольные силы возникают в нижней части колонн и находятся в диапазоне 1510-1887 кН, эти продольные силы между колоннами распределены достаточно равномерно. Максимальные изгибающие моменты и поперечные силы появляются в уровне междуэтажных перекрытий и достигают следующих значений: М_х<10 кНм, М_у<24 кНм; Q_х<31 кН, Q_у<71 кН.

а) б) в)

Рис. 3. Изополя продольных сил N (а), эпюры без оцифровки изгибающих моментов М_у (б) и поперечных сил Q_х(в) в колоннах каркаса в расчетной схеме №1

Расчетная схема №2. На податливом основании при линейной работе грунтов в колоннах каркаса изополя вертикальных продольных сжимающих сил, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в одной из плоскостей даны на рис. 4. Наибольшие продольные силы возникают в нижней части контурных колонн и находятся в диапазоне 4151-46112 кН. В то же время во внутренних колоннах значения продольных сил по сравнению с контурными колоннами резко уменьшаются (более, чем в три раза) и составляют 925-1386 кН. Максимальные изгибающие моменты и поперечные силы появляются в уровне междуэтажных перекрытий и не превышают следующих значений: М_х<4 кНм, М_у<55 кНм; Q_х<148 кН, Q_у<64 кН.

Расчетная схема №3. На податливом основании при нелинейной работе грунтов в колоннах каркаса изополя вертикальных продольных сжимающих сил, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в одной из плоскостей приведены на рис. 5. Наибольшие продольные силы возникают в нижней части контурных колонн и находятся в интервале 3515-4393 кН. В то же время во внутренних колоннах значения продольных сил по сравнению с контурными колоннами резко уменьшаются (более, чем в два раза) и составляют 1321-1760 кН. Максимальные изгибающие моменты и поперечные силы появляются в уровне междуэтажных перекрытий и не превышают следующих значений: М_х<3 кНм, М_у<50 кНм; Q_х<124 кН, Q_у<87 кН.

Сравнение результатов. Анализ значений и характера распределения продольных сил в наиболее нагруженной опорной зоне колонн каркаса показал следующее:

а) б) в)

Рис. 4. Изополя продольных сил N (а), эпюры без оцифровки изгибающих моментов М_у (б) и поперечных сил Q_х(в) в колоннах каркаса в расчетной схеме №2

а) б) в)

Рис. 5. Изополя продольных сил N (а), эпюры без оцифровки изгибающих моментов М_у (б) и поперечных сил Q_х(в) в колоннах каркаса в расчетной схеме №3

– учет податливости свайного основания изменил качественно и количественно напряженное состояние колонн по сравнению с их жестким опиранием. Из практически равномерного распределения продольных сил между колоннами при их опирании на жесткие опоры мы получили значительную разницу в продольных усилиях между контурными и внутренними колоннами при их опирание на податливое свайного основание. На податливом основании во внутренних колоннах продольные силы уменьшились на 27-39% в расчетной схеме №2 и на 7-13% в расчетной схеме №3, а в контурных колоннах продольные силы наоборот увеличились более, чем в 2 раза в расчетных схемах №2 и №3 по сравнению с продольными усилиями в колоннах на жестком основании;

– при учете неупругого деформирования грунтов в сравнении с его линейным деформированием, характер распределения продольных сил в колоннах в целом совпадает, количественно продольные силы в контурных колоннах уменьшились на 5-15%, а во внутренних колоннах увеличились на 21-30%, т.е. произошло определенное сглаживание продольных усилий в контурных и крайних колоннах при учете нелинейной работы грунтов;

– учет податливости основания приводит к увеличению изгибающих моментов и поперечных сил в отдельных сечениях колонн на уровне междуэтажных перекрытий до двух раз.

Анализ результатов вертикальных перемещений колонн высотой 80,2 м показывает следующее (рис. 6):

– в расчетной схеме №1 абсолютная деформация сжатия составляет 14,1 мм как для контурных, так и для внутренних колонн;

– в расчетной схеме №2 абсолютная деформация сжатия равна 17,2 мм для контурных колонн и 15,0 мм для внутренних колонн;

– в расчетной схеме №3 абсолютная деформация сжатия составляет 19,6 мм для контурных колонн и 17,7 мм для внутренних колонн.

а) б) в)

Рис. 6. Изополя вертикальных перемещений колонн: а – расчетная схема №1;

б – расчетная схема №2; в – расчетная схема №3

Таким образом, учет податливости свайного фундамента под колоннами каркаса приводит к увеличению абсолютной деформации сжатия колонн на 6-18% при упругом деформировании грунтов и на 20-28% при неупругом деформировании грунтов.

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 94; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!