Адаптация к требованиям инженерной практики методики расчета винтовых свай с применением пк plaxis

Обновлено: 24.01.2025

Сравнение результатов натурных экспериментов с расчетами, выполненными при помощи конечноэлементной программы Plaxis 3D Foundation для забивных свай в глинистых грунтах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Текст научной работы на тему «Сравнение результатов натурных экспериментов с расчетами, выполненными при помощи конечноэлементной программы Plaxis 3D Foundation для забивных свай в глинистых грунтах»

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С РАСЧЕТАМИ, ВЫПОЛНЕННЫМИ ПРИ ПОМОЩИ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ ПРОГРАММЫ PLAXIS 3D FOUNDATION ДЛЯ ЗАБИВНЫХ СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ

В. В. Знаменский А. М. Рузаев И. Н. Полынков

Целью настоящей работы являлось сравнение результатов натурных испытаний одиночных забивных свай, а также забивных свай в составе свайного куста с результатами расчетов по несущей способности и деформациям методом конечных элементов (МКЭ) с использованием геотехнического комплекса «PLAXIS 3D Foundation». Расчеты по МКЭ повторяли испытания [1] для одиночной сваи и куста из 5-ти забивных свай с целью определения возможности применения данной программы при проектировании свайных фундаментов и проведения численных экспериментов.

2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ, КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОПЫТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Опытная площадка в г. Братске находилась на территории строительства Братского алюминиевого завода. Инженерно-геологическое обследование показало, что в пределах разведанных глубин (до 14м) грунты опытной площадки были представлены сухими комковатыми суглинками достаточно однородными по глубине от тугопластичной до полутвердой консистенции. Удельный вес суглинка колебался в пределах от 16 до 20 кН/м3, коэффициент пористости от 0,52 до 0,97, влажность от 14,1% до 16,6%, степень влажности от 0,39 до 0,77. Подробные значения физико-механических характеристик грунта опытной площадки, использованные в расчете, приведены в таблице №1.

Осредненные физико-механические характеристики грунта экспериментальной площадки

Характеристика (обозначение) Ед. измер. Величина

Модуль деформации (Егес) кН/м2 22000,0

Коэффициент Пуассона (V) - 0,35

Сцепление грунта (сге£) кН/м2 40,0

Угол внутреннего трения (ф) О 25

Угол дилатансии (у) О 0,1

Объемный вес грунта в естественном состоянии (у8й) кН/м3 18,0

Объемный вес грунта в сухом состоянии (УишаО кН/м3 15,0

Коэффициенты фильтрации (кх = ку) м/сут 0,001

Натурные свайные фундаменты состояли из железобетонных свай сечением 35x35 см, длиной 9.4м, оборудованных тензометрическими датчиками, позволяющими измерять осевые усилия в сваях в различных сечениях по длине. Монолитные железобетонные ростверки натурных групп свай армировались сетками и жёстким каркасом из швеллеров. Нагрузка на натурные свайные фундаменты создавалась гидравлическими домкратами. Подробно конструкция опытных свай, измерительная аппаратура, оборудование и методика проведения испытаний представлены в [1] .

Характеристики опытных свайных фундаментов приведены в таблицах 2 и 3.

Свойства материала сваи

Характеристика (обозначение) Ед. измер. Величина

МОДУЛЬ уПруГОСТИ (ЕгеО кН/м2 29000000

Коэффициент Пуассона (V) - 0,2

Объемный вес (у8й) кН/м3 24,0

Свойства материала ростверка

Характеристика (обозначение) Ед. измер. Величина

Модуль упругости (Еге£) кН/м2 29000000

Коэффициент Пуассона (V) - 0,2

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Объемный вес (у^) кН/м3 24,0

Эквивалентная толщина (ф) м 0,5

3. СОВМЕСТНЫЕ РАСЧЕТЫ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА И ОСНОВАНИЯ

Граничные условия в расчетах численного моделирования задавались в перемещениях. Так на вертикальных границах расчетной области закреплялись только горизонтальные перемещения, а на нижней границе расчетной области закреплялись перемещения по всем трем направлениям.

Для моделирования поведения грунтов основания использовалась известная модель теории пластичности, основанная на теории прочности Кулона-Мора. Упругопластичес-кая модель, построенная на основе теории прочности Кулона-Мора, требует определение пяти основных входных параметров, а именно: модуль общей деформации Е, коэффициент Пуассона v, удельное сцепление С, угол внутреннего трения ср и угол дилатансии \|/. Для свай и ростверка применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками (см. табл. №2, 3).

При моделировании забивной сваи вводились следующие предпосылки: грунтовая «рубашка» по периметру сваи не учитывалась, хотя существуют некоторые экспериментальные данные, подтверждающие образование по периметру сваи в процессе её погружения, уплотненного слоя грунта толщиной от 2 до 5см. Большинство же экспериментальных данных по материалам организации ГПИ «ФУНДАМЕНТПРОЕКТ» свидетельствуют о том, что если такая «рубашка» и образуется, то её толщина сравнительно мала. Вероятнее всего, толщина и размеры «рубашки» зависят от характеристик грунтов, в которые погружаются сваи. Для учета «рубашки» достаточно принять контакт сваи с грунтом из условия полного прилипания, о чем свидетельствуют фотографии (рис.1). Вследствие этого на контакте сваи с грунтом моделировался интерфейс, равный единице

Рис. 1. Фотографии нижнего конца опытной забивной сваи, выполненные после ее откопки

Расчетная схема для одиночной сваи (рис. 2). В качестве расчетной была выбрана область основания размерами в плане 15х15м и высотой 15м. В расчетную область входили массив грунта основания и забивная железобетонная свая. В качестве объемных сил задавались собственный вес свай и грунта основания. Процесс устройства экспериментальной сваи моделировался поэтапно. На первом этапе моделировалось природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива, затем моделировалось устройство сваи. Внешняя сила Р прикладывалась ступенями к верхнему торцу сваи в виде равномерно - распределенной нагрузки до потери несущей способности сваи. Результаты каждого этапа моделирования являлись начальными условиями для последующего этапа моделирования.

Расчетная схема для куста из 5-ти свай (рис. 3).

Расчетная область в плане 18х18м высотой 18м. Сваи сечением 35х35см погружены в грунт на 9м. Осевое расстояние между сваями - 3ё. Плита ростверка 3,0х3,0м толщиной 0,5 м. В соответствии с экспериментом, нагрузка задавалась равномерно -распределенной по площади ростверка ступенями.

с1 = 0,35м 1_ = 9,0м

Рис. 2. Расчетная схема для одиночной сваи

Рис. 3. Расчетная схема для куста из 5-ти свай

Рис. 4. Графики зависимости «нагрузка-осадка», построенные по данным статических испытаний одиночной сваи и по данным решения МКЭ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ СОПОСТАВЛЕНИЕ С НАТУРНЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ

4.1 Одиночная забивная свая длиной 9,4м сечением 35х35см.

Как видно из графиков на рис. 4 результаты расчета одиночной сваи по методу конечных элементов и данные эксперимента получили удовлетворительную сходимость. Расчеты показали, что предельной для сваи является нагрузка 75т. Такое значение предельной нагрузки превышает предельное значение полученное в эксперименте (65т) приблизительно на 12%. Несущая способность одиночной сваи, в данных грунтовых условиях, определяется, в основном, сопротивлением ее боковой поверхности, которая передает на грунт 70-80% от нагрузки на сваю, что предопределяет характер графиков зависимости осадок от вертикальных нагрузок, имеющих резкий перелом в точке потери своей несущей способности.

Следует отметить, что численное моделирование проведенного эксперимента позволяет получить полную информацию о напряженно-деформированном состоянии грунтового массива во всем диапазоне нагружения сваи, включая и предельную нагрузку.

Распределение вертикальной нагрузки по длине сваи по расчету (рис. 5), носит линейный характер. При этом наклон этой прямой, по отношению к вертикальной оси, увеличивается, а после достижения некоторой критической нагрузки (6065т) остается постоянным. Это свидетельствует о том, что до срыва сваи процентные соотношения долей нагрузок, воспринимаемых пятой и боковой поверхностью, изменяются, а на стадии срыва (60-65т) - остаются постоянными.

4.2 Куст из 5-ти забивных свай длиной 9,0м сечением 35х35см при осевом расстоянии между ними 3,0ф

По аналогии с одиночной сваей на рис. 6, построены зависимости осадки куста из 5-ти свай от действующей нагрузки, полученные в ходе натурного эксперимента и расчетов по МКЭ. Как и в расчетах одиночной сваи, количественные различия результатов находятся в пределах 12-15%.

С целью сравнительного анализа на рис. 7, 8 , представлены графики «нагруз-

Рис. 5. График распределения вертикальной нагрузки по длине сваи

ка-осадка» для центральной и угловой свай куста и одиночной сваи. По графикам можно убедиться, что «срыв» свай в кусте носит более плавный характер, по сравнению с одиночной сваей. Это отражено как на опытной кривой, так и на расчетной.

Рис. 6. Графики зависимости «нагрузка-осадка», построенные по данным статических испытаний куста свай и по данным решения МКЭ

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

одиночная свая угловая свая центральная свая

Рис. 8. Графики зависимости «нагрузка-осадка» для свай куста с низким ростверком и одиночной сваи по данным решения МКЭ

Рис. 7. Графики зависимости «нагрузка-осадка» для свай куста с низким ростверком и одиночной сваи по данным статических испытаний

1. Результаты сравнения экспериментальных данных натурных испытаний свайных фундаментов, выполненных на площадке строительства Братского алюминиевого завода, с данными расчетов методом МКЭ по предложенным расчетным схемам показали удовлетворительную сходимость в пределах 12% для одиночной сваи и 15% для свай в составе куста.

2. Полученные результаты позволяют рекомендовать рассмотренные расчетные схемы, выполненные по программе «PLAXIS 3D Foundation», для дальнейшего изучения и анализа взаимодействия свайных фундаментов с грунтовым основанием, с целью практического использования при проектировании свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях современных строительных площадок и при проведении численных экспериментов с научными целями.

1. Дорошкевич Н. М., Знаменский В. В., Чернов В. К., Юрко Ю. П. «Экспериментальные исследования осадок кустов свай под действием вертикальной нагрузки». Красноярск, 1971 г.

2. Дорошкевич Н. М., Знаменский В. В., Чернов В. К., Юрко Ю. П. Собрание трудов Красноярского Промстрой НИИПРОЕКТА «Строительство в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера». №16, Красноярск, 1970 г.

3. Бартоломей А. А., Омельчак И. М., Юшков Б. С. «Прогноз осадок свайных фундаментов». Москва, Стройиздат, 1994 г.

НАСЫПИ, ФУНДАМЕНТЫ И КОТЛОВАНЫ

Узнайте, почему PLAXIS необходим в этой области проектирования

PLAXIS является эффективным, надёжным и удобным программным комплексом для конечно-элементных расчётов. Благодаря своей устойчивой вычислительной процедуре, PLAXIS обеспечивает комплексное решение для проектирования и расчёта грунтов, скальных пород и взаимодействующих с ними сооружений в различных отраслях строительства, связанного с насыпями, котлованами и фундаментами.

PLAXIS используется в расчётах устойчивости насыпей, перемещений грунтов и скальных пород вблизи котлованов и устойчивости плотин при различных уровнях воды. В настоящее время PLAXIS позволяет решать задачи, связанные с котлованами в слабых грунтах, плитными и свайно-плитными фундаментами, насыпями или плотинами с учётом ползучести и консолидации грунтов, а также при больших деформациях.

Задачи

PLAXIS для насыпей и плотин

Насыпи и плотины возводятся для железных и автомобильных дорог, для аэродромов, для водозадержания и регулирования наводнений. Актуальными задачами при проектировании насыпей и плотин являются устойчивость при снижении уровня воды, деформации на слабых сжимаемых грунтах с низкой прочностью, динамические перемещения насыпей в зависимости от скоростей поездов, фракционирование грунтов в процессе длительной эксплуатации сооружения.

При моделировании песков и глин PLAXIS различает дренированное и недренированное поведение грунтов. Распределение порового давления может быть создано с помощью задания уровней грунтовых вод или прямым вводом давления воды. Снижение избыточных поровых давлений во времени может быть вычислено с помощью расчёта консолидации. Совместный гидромеханический расчёт, основанный на теории консолидации Био, может обеспечить вычисление деформаций грунта и потока грунтовых вод в насыщенных и частично насыщенных грунтах с граничными условиями, зависящими от времени.

PLAXIS для фундаментов

Может быть найдена комбинация конструкции глубокого котлована и конструкции фундамента при проектировании высотных зданий. Самыми используемыми типами фундаментов являются плитные, свайные и комбинированные плитно-свайные фундаменты. Минимизация осадок фундамента в основном выполняется для того, чтобы ограничить повреждение верхнего строения. Численные расчёты в PLAXIS могут быть использованы для оптимизации конструкции фундамента и технологии строительства. Сваи могут быть смоделированы в PLAXIS в виде объёмных свай (3D) или погруженных свай (2D).

PLAXIS для котлованов

Большое значение имеют численные расчёты земляных работ и систем крепления ограждения котлована, а также взаимодействия грунта с сооружением. Должны быть сведены к минимуму осадки и, следовательно, повреждения близлежащих зданий, инфраструктуры или заглубленных тоннелей. Кроме того, должна быть обеспечена устойчивость котлована.

Проектирование причальных стенок является другим примером взаимодействия грунта с конструкцией. Экскавация грунта обеспечивается бетонной стеной, закреплённой с помощью предварительно напряжённых грунтовых анкеров. При работе с двухмерными моделями грунтовые анкеры могут быть смоделированы с помощью комбинации специальных элементов (node-to-node и embedded beam row). Для учёта зависимых от напряжений модулей жёсткости грунта можно использовать модель упрочняющегося грунта. В PLAXIS также доступна модель упрочняющегося грунта с учётом увеличения жёсткости грунта при малых деформациях.

Plaxis - 1001 вопрос.

Мои мысли ты по этому поводу ты услышал, ленточный фундамент можно превратить в плиту и "размазать" по ней нагрузку от здания.

Кстати кое что ещё, если ты не будешь перечерчивать подземную часть здания, а будешь задавать плиту, то нужно задать плиту большей толщины. То есть как бы заменить всю подземную чать на кубик, плиту. Нужно это для того, чтобы задать жёсткость подземной части которая в реале обеспечивается перекрытиями, стенами и колоннами. Чтобы узнать толщину этой плиты нужно счиатть это ручками. Если посмотреть учебник сопромата то там есть задача, как заменить двутавр на балку прямоугольного сеченя той же жёсткости. Тут тоже самое, стены и перекрытия, заменяются тостой плитой.

Plaxis - 1001 вопрос.

Оценка несущей способности свай в глинистых грунтах с помощью ПК Plaxis 3D Foundation Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Полищук Анатолий Иванович, Самарин Дмитрий Геннадьевич, Филиппович Анна Александровна

В статье обосновывается возможность оценки несущей способности свай (забивных, инъекционных) в глинистых грунтах с использованием ПК PLAXIS 3D Foundation. В представленном материале дано описание методики проведения натурных экспериментов и создания их конечно-элементных схем с применением ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью Мора – Кулона. Выводы базируются на результатах сопоставления натурных экспериментов , а именно испытаний забивных и инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой и данных расчета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ASSESSMENT OF LOAD CAPACITY OF PILES IN CLAY SOIL BY MEANS OF THE PLAXIS 3D FOUNDATION

The article presents the rationale for a possibility of evaluating the pile capacity (displacement piles, jetted piles) in clay soils using PLAXIS 3D Foundation program. This article describes techniques of conducting full-scale experiments and their finite element schemes using PLAXIS 3D Foundation and the elastic-plastic Mohr-Coulomb model. The implications are based on the comparative analysis of the results obtained from the full-scale experiments, namely: displacement and jetted pile tests on static pressing force and calculation data.

Текст научной работы на тему «Оценка несущей способности свай в глинистых грунтах с помощью ПК Plaxis 3D Foundation»

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail ru

Кубанский государственный аграрный университет, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sdg_samara@mail. ru

ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант, annafilich@mail ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ С ПОМОЩЬЮ ПК PLAXIS 3D FOUNDATION

В статье обосновывается возможность оценки несущей способности свай (забивных, инъекционных) в глинистых грунтах с использованием ПК PLAXIS 3D Foundation. В представленном материале дано описание методики проведения натурных экспериментов и создания их конечно-элементных схем с применением ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью Мора - Кулона. Выводы базируются на результатах сопоставления натурных экспериментов, а именно испытаний забивных и инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой и данных расчета.

Ключевые слова: моделирование; натурные эксперименты; железобетонная забивная свая; инъекционная свая, несущая способность сваи.

ANATOLIYI. POLISHCHUK, DSc, Professor, ofpai@mail. ru

DMITRIY G. SAMARIN, PhD, A/Professor,

Kuban State Agrarian University,

13, Kalinin Str., 350044, Krasnodar, Russia

ANNA A. FILIPPOVICH, Postgraduate Student,

Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia

ASSESSMENT OF LOAD CAPACITY OF PILES IN CLAY SOIL BY MEANS OF THE PLAXIS 3D FOUNDATION

Key words: simulation; full-scale experiment; ferroconcrete displacement pile; jetted pile; pile capacity.

В настоящее время известны отечественные и зарубежные программные комплексы PLAXIS, MIDAS GTS, FEM models, ABAQUS, ANSIS и др., которые используются в расчетах при проектировании фундаментов зданий и сооружений. Достоверная оценка поведения фундаментов может быть установлена на основе сопоставления результатов натурных экспериментов и данных расчета.

Основная задача при подготовке статьи заключалась в определении возможности применения программного комплекса PLAXIS 3D Foundation [1] для оценки несущей способности одиночных свай. Поставленная задача решалась на основании сопоставления результатов натурных экспериментов [2, 3-5] с данными расчета методом конечных элементов.

Для создания конечно-элементных расчетных схем в ПК PLAXIS 3D Foundation были использованы исходные данные и параметры, соответствующие реальным условиям натурных экспериментов [Там же]. Это физико-механические характеристики грунтов основания, значения нагрузок и характер нагружения основания, геометрические параметры свай и др. (рис. 1).

Рис. 1. Конечно-элементные расчетные схемы для моделирования системы «свая-грунт основания»: а - массив глинистого грунта, вмещающий забивную железобетонную сваю; б - то же, вмещающий инъекционную сваю;

1 - массив глинистого грунта; 2 - забивная железобетонная свая; 3 - инъекционная свая

При моделировании грунтов в основании фундаментов использовалась упругопластическая модель Мора - Кулона, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона V, удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф и угла дилатансии у. Для моделирования работы материалов опытной сваи применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками. Расчет производился в три этапа: 1 - учет гравитационной нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2 - расчет конструкций; 3 -приложение заданной величины и характера нагрузки, выбор необходимых точек для определения в них давлений и перемещений [9].

Результаты натурных экспериментов напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании свай и околосвайном пространстве принимались по работам С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова (для забивных свай) [2] и А.И. Полищука, А.А. Петухова, Р.В. Шалгинова и др. (для инъекционных свай) 3.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В опытах использовались железобетонные призматические сваи сечением 30^30 см и длиной 4 м. Глубина забивки сваи составила 3 м. Нагрузка на сваю передавалась ступенями. Величина нагрузки от одной ступени составляла 10 кН. Осадки фиксировались двумя прогибомерами конструкции Н.Н. Максимова при условной стабилизации, равной 0,1 мм за последние два часа.

При моделировании работы одиночной забивной сваи характеристики грунтов основания в околосвайном пространстве на расстоянии 3d от оси в горизонтальном и вертикальном направлениях были увеличены с учетом их

Рис. 2. Поперечный разрез массива глинистого грунта и одиночной забивной сваи:

1 - глинистый грунт с характеристиками естественного сложения (по материалам Ющубе и др.) [2]; 2 - область уплотненного глинистого грунта при забивке сваи [6]; 3 - одиночная железобетонная свая

Согласно экспериментальным данным, характеристики грунтов с учетом уплотнения составили: плотность грунта рупл = 1,83 г/см3; удельное сцепление супл = 34 кПа; модуль деформации Еупл = 6,8 МПа.

В экспериментах были получены результаты испытания свай статической вдавливающей нагрузкой, которые были сопоставлены с данными моделирования по ПК PLAXIS 3D Foundation (рис. 3, 4). Так, по результатам статических испытаний (опыт № 2 по материалам С.В. Ющубе и и др.) несущая способность забивной сваи составила Fd = 118 кН, а по результатам ПК PLAXIS 3D Foundation Fd = 110 кН [7].

Результаты моделирования процессов взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Полищук Анатолий Иванович, Самарин Дмитрий Геннадьевич, Филиппович Анна Александровна

В статье обосновывается возможность применения ПК PLAXIS 3D Foundation для моделирования напряженно-деформированного состояния грунтов в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESULTS OF MODELLING PROCESSES OF INTERACTION OF FOUNDATIONS WITH CLAY SOIL

The possibility of using the personal computer PLAXIS 3D Foundation for modeling the stress-strain state of soil at the base of foundations (shallow and pile foundation) is proved in the article.

Текст научной работы на тему «Результаты моделирования процессов взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания»

ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail ru

Кубанский государственный аграрный университет,

350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sdg_samara@mail. ru

ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант, annafilich@mail ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТОВ С ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ

Ключевые слова: моделирование; натурные эксперименты; фундамент мелкого заложения; железобетонная свая; напряженно-деформированное состояние грунтов основания.

POLISCHUK, ANATOLY IVANOVICH, Prof Dr.Tech. Sc., ofpai@mail. ru

Kuban State Agrarian University,

13 Kalinina st., Krasnodar, 350044, Russia

SAMARIN, DMITRYGENNADJEVICH, Ph.D., Assoc.Prof.,

FILIPPOVICH, ANNA ALEKSANDROVNA, P.G.,

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

RESULTS OF MODELLING PROCESSES OF INTERACTION OF FOUNDATIONS WITH CLAY SOIL

The possibility of using the personal computer PLAXIS 3D Foundation for modeling the stress-strain state of soil at the base of foundations (shallow and pile foundation) is proved in the article.

Key words: modeling; natural experiments; shallow foundation; reinforced concrete pile; the stress-strain state of the soil foundation.

Для совершенствования методов расчета фундаментов зданий (в том числе при их реконструкции) большое значение имеют натурные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния грунтов и сопоставление полученных результатов с данными моделирования. В последние годы в России находят все большее применение программные продукты PLAXIS, MIDAS GTS, FEM models, ABAQUS, ANSIS и др., которые используются в проектной практике. Однако недостаточное количество информации о выполненных натурных исследованиях взаимодействия фундаментов и грунтов оснований не всегда позволяет дать должную оценку полученным результатам.

Основная задача при подготовке статьи заключалась в оценке возможности использования программного комплекса PLAXIS 3D Foundation [1] для моделирования напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных). Задача решалась на основании сопоставления результатов натурных экспериментов [2, 3] с данными расчета.

При проведении моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation были использованы исходные данные, соответствующие реальным условиям натурных экспериментов. Это физико-механические характеристики глинистых грунтов основания, значения нагрузок и последовательность их приложения, геометрические параметры фундаментов и др. Для моделирования глинистых грунтов в основании фундаментов использовалась упругопластическая модель Кулона - Мора, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона и, удельного сцепления C, угла внутреннего трения ф и угла дилатансии у. Для моделирования работы материалов фундамента - штампа и сваи - применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками. Расчет производился в три стадии: 1 - начальная стадия: учет гравитационной нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2 - стадия расчета конструкций; 3 - приложение заданной величины и характера нагрузки, выбор необходимых точек для определения в них давлений и перемещений.

Результаты натурных экспериментов напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании фундаментов принимались по работам А.И. Полищука (для фундаментов-штампов мелкого заложения) [2] и С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова (для свай) [3].

В работе А.И. Полищука [2] приведены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений (вертикальных, горизонтальных) в основании жестких круглых фундаментов-штампов площадью 10 000 см2 на однородных лессовых суглинках природной влажности (маловлажных, г. Георгиевск) и предварительно увлажненных (влажных, г. Геор-гиевск). Глубина заложения фундаментов-штампов составляла 0,4 м от поверхности земли. Полученные результаты рассматривались для стабилизированного состояния оснований. Просадочные деформации лессовых грунтов и изменение напряженного состояния оснований во времени в данной работе не рассматривались.

Напряжения в грунте измерялись тензометрическими месдозами (датчиками) с гидравлическим преобразователем [4]. Анализ работы данных датчиков показал, что они обладают высокой чувствительностью, линейностью градуировочных графиков и по своим технико-метрологическим параметрам не уступают лучшим отечественным и зарубежным образцам. При измерении контактных давлений был использован метод установки фундаментов-штампов на слой жесткого цементно-песчаного раствора. При измерении напряжений в основании была использована методика вдавливания датчиков в основание из шурфа, отрытого рядом с местом установки фундаментов-штампов. Используемая методика обеспечивала неразрывный контакт вдавливаемых месдоз и марок с грунтом основания.

Грунты основания (лессовые суглинки природной влажности) имели следующие физико-механические характеристики: естественная влажность W = 13,8 %; плотность грунта р = 1,7 г/см3; плотность частиц грунта ps = 2,71 г/см3; плотность скелета грунта pd = 1,50 г/см3; коэффициент пористости е = 0,79; коэффициент водонасыщения Sr = 0,47-0,5; число пластичности Ip = 13,5 %; показатель текучести JL = 0-0,18; угол внутреннего трения ф = 24°; удельное сцепление С = 25 кПа; штамповый модуль деформации Е = 9,7 МПа.

В экспериментальных исследованиях на глинистых грунтах природной влажности (маловлажных) были получены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений в основании фундаментов-штампов, которые сопоставлялись с данными расчета (рис. 1 и 2).

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Сопоставление показало, что для глинистых грунтов природной влажности (маловлажных) при давлении до 200 кПа, которое не превышает расчетного сопротивления R грунтов основания [5], контактные давления, вертикальные напряжения и перемещения в основании жестких фундаментов-штампов можно моделировать с достаточной для инженерных расчетов точностью (10-30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона - Мора.

В работе С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова [3] приведены результаты распределения вертикальных напряжений в глинистом грунте (супесь пластичная) в околосвайном пространстве. В опытах использовались железобетонные призматические сваи сечением 30^30 см и длиной 3 м. Нагружение свай осуществлялось с помощью специальной установки. Пригрузочные платформы установки находились на расстоянии 3 м от испытуемой сваи. Это делалось для того, чтобы исключить влияние внешнего давления от установки на напряженное состояние грунта вокруг сваи. Для измерения вертикальных напряжений в грунте вокруг сваи были использованы месдозы (датчики) с гидравлическим преобразователем [4]. В грунте бурились горизонтальные скважины (из шурфа) на заданном расстоянии друг от друга. Затем при помощи специального приспособления месдозы вдавливались через скважины в грунт естественного сложения (ненарушенной структуры). Скважины далее тампонировались грунтом (песок мелкий) и снимались начальные отсчеты.

Рис. 1. Результаты распределения контактных давлений по подошве жестких фундаментов-штампов на лессовых суглинках природной влажности:

I - результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)

Рис. 2. Результаты распределения вертикальных перемещений в лессовых суглинках природной влажности:

1 - результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)

В экспериментах были получены результаты распределения вертикальных напряжений в основании ниже острия сваи, которые были сопоставлены с данными моделирования по ПК PLAXIS 3D Foundation (рис. 3). Сопоставление показало, что для глинистых грунтов (супесь пластичная) при нагрузке на сваю до 110 кН, значение которой меньше предельной, вертикальные напряжения в основании ниже острия сваи можно также моделировать с достаточной точностью (10-30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона - Мора.

0,18 МПа 0,13 МПа

0,05 МПа 0,03 МПа

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,04 МПа 0,02 МПа

Рис. 3. Результаты распределения вертикальных напряжений ниже острия сваи:

I - результаты натурных опытов (данные С.В. Ющубе и др.) [3]; 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)

Таким образом, анализ представленных результатов натурных опытов и результатов расчета показывает возможность использования ПК PLAXIS 3D Foundation для моделирования процессов взаимодействия фундаментов мелкого заложения и свайных с грунтом основания.

1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 7. - Санкт-Петербург : ПИП-Информатика, 2004. - 274 с.

2. Полищук, А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий / А.И. Полищук. - 3-е изд., доп. - Портхэмптон : STT; Томск: STT, 2007. - 476 с.

4. Баранов, Д.С. Тензометрическая месдоза ЦПИИСК с гидравлическим преобразователем, совершенствование ее конструкции и технологии изготовления / Д.С. Баранов // Тензо-метрические приборы для исследования строительных конструкций. - М. : Стройиздат, 1971. - С. 4-20.

СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. - Москва, 1995. - 40 с.

2. PolishhukA.I. Osnovy proektirovanija i ustrojstva fundamentovrekonstruiruemyh zdanij [Principles of design and installation of foundations of reconstructed buildings.]. - 3-e izd., dop. -Northjempton : STT; Tomsk : STT, 2007. - 476 p.

5. SNiP 2.02.01-83* [Construction norms and rules 2.02.01-83] Osnovanija zdanij i sooruzhenij [Foundations of buildings and structures]. - Moscow, 1995. - 40 p.

Читайте также: