Моделирование податливости свайного фундамента с плитным ростверком
На напряженно-деформированное состояние перекрытий
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 перекрытий 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 перекрытий 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, перекрытия 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 перекрытий 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 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
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 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 [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. Несущие элементы перекрытий и покрытия – монолитные плиты толщиной 200 мм размером на этаж. Класс бетона элементов каркаса – В30.
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 плите перекрытия второго этажа изополя изгибающих моментов приведены на рис. 3, а, 4, а. Максимальные погонные изгибающие моменты достигают следующих значений: Му ≤18,2 кНм/м, Му≤-23,6 кНм/м; Мх ≤25,8 кНм/м, Му≤-25,9 кНм/м (без знака – пролетные моменты, со знаком «-» – опорные моменты).
Расчетная схема №2. На податливом основании при линейной работе грунтов в плите перекрытия второго этажа изополя изгибающих моментов даны на рис. 3, б, 4, б. Максимальные погонные изгибающие моменты достигают следующих значений: Му ≤15,2 кНм/м, Му≤-15,6 кНм/м; Мх ≤13,4 кНм/м, Му≤-11,6 кНм/м.
а)
б)
в)
Рис. 3. Изополя изгибающих моментов Му в плите перекрытия второго этажа:
а – в расчетной схеме №1; б – в расчетной схеме №2; в – в расчетной схеме №3
а)
б)
в)
Рис. 4. Изополя изгибающих моментов Мх в плите перекрытия второго этажа:
а – в расчетной схеме №1; б – в расчетной схеме №2; в – в расчетной схеме №3
Расчетная схема №3. На податливом основании при нелинейной работе грунтов в плите перекрытия второго этажа изополя изгибающих моментов приведены на рис. 3, в, 4, в. Максимальные погонные изгибающие моменты достигают следующих значений: Му ≤17,4 кНм/м, Му≤-16,9 кНм/м; Мх ≤15,2 кНм/м, Му≤-12,4 кНм/м.
Сравнение результатов. Анализ значений и характера распределения изгибающих моментов в плите перекрытия второго этажа показал следующее:
– учет податливости свайного основания изменил только количественно напряженное состояние плиты по сравнению с жесткими опорами. На податливом основании в плите пролетные и опорные изгибающие моменты уменьшились соответственно: Му – на 15% и 34%, Мх – на 48% и 55% в расчетной схеме №2; Му – на 4% и 28%, Мх – на 41% и 52% в расчетной схеме №3 по сравнению с жестким основанием;
– при учете неупругого деформирования грунтов в сравнении с его линейным деформированием, уменьшение изгибающих моментов как в пролетах, так и на опорах оказалось не существенным.
Анализ результатов вертикальных перемещений плиты перекрытия второго этажа показывает следующее (рис. 5):
– в расчетной схеме №1 отчетливо прослеживается наличие участков плиты с прогибами между вертикальными элементами каркаса со значениями до 1,7 мм;
– в расчетных схемах №2 и 3 картина деформированного состояния плиты меняется как качественно, так и количественно, а именно – участки плиты с прогибами между вертикальными элементами каркаса как таковые отсутствуют, плита представляет собой наклонную поверхность с уклоном 0,0595% в расчетной схеме №2 и с уклоном 0,0873% в расчетной схеме №3.
Таким образом, учет податливости свайного основания приводит к существенному изменению деформированного состояния плит перекрытий высотного здания.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 141; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!