Расчет комбинированных свайно-плитных фундаментов с использованием контактной модели Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

1/2006

расчет комбинированных сваино-плитных фундаментов с использованием контактной модели

В.В. Семенов Д.Ю. Чунюк

За последние годы свайные фундаменты стали самым широко используемым типом фундаментов в промышленном и гражданском строительстве. Потребность в сооружении свайных фундаментов становиться особенно актуальной в связи с тем, что территории с благоприятными для строительства грунтовыми условиями являются освоенными, увеличивается этажность зданий и нагрузки на основания. Известно также, что в ряде случаев использование свайных фундаментов и на достаточно прочных грунтах, и в случаях, когда с поверхности залегает прослойка прочного грунта, оказывается в экономическом и технологическом отношении более эффективным по сравнению с фундаментами мелкого заложения. В этих случаях, при контакте ростверка с грунтом, часть внешней нагрузки может передаваться через подошву ростверка. Для массивных сооружений на группах и полях свай такой тип фундаментов принято называть комбинированными свайно-плитны-ми фундаментами. Для расчета таких типов фундаментов на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов Московского Государственного Строительного Университета был разработан инженерный метод расчета, для шага свай в группе более 4Ь, основанный на совместном рассмотрении жесткости основания плитной части и группы свай с учетом расположения и взаимовлияния, и решении на основе полу-

ченных данных контактной задачи теории упругости с использованием метода конечных элементов.

Контактные модели широко используются в инженерной практике для расчета плитных, балочных фундаментов, ростверков и т.п.

Рассматривая в общем случае центральную нагрузку, т.е. случай равномерного упругого сжатия, формула для определения коэффициента жесткости основания плитной части будет иметь следующий вид:

C

рост

(1 -V 02К^

IF"

' роств

(1)

Fn

роств

где: F

роств

- d'

(2)

г=1

где: Е0 - модуль деформации грунта; v0 - коэффициент Пуассона грунта находящегося непосредственно под плитной частью; кс - безразмерный коэффициент, зависящий от отношения сторон плитной части принимаемый по H.A. Цыто-вичу и М.И. Горбунову - Посадову в зависимости от жесткости плитной части; ^проств - приведенная площадь плитной части определяемая по формуле:

проста - площадь плитной части; п - количество свай; d' - диаметр сваи и грунтовой рубашки.

При определении приведенной площади ростверка диаметр сваи принимается, с учетом образования

0

А

1/2006

В.В. Семенов, Д.Ю. Чюнюк

КВНК!

и осадки совместно со сваей грунтовой рубашки и определяется по формуле:

^ = а + 25 (3)

где: а - диаметр сваи; 5 - толщина грунтовой рубашки.

Для определения коэффициента жесткости свай преобразовываем формулу П.Л.Пастернака для однослойного трехмерного основания и представляем ее в виде:

Ет

(4)

Ссв ,/

К (1 - 2у 2)

К = 2Н1э

К = А к0Ь

дошвой свайного фундамента, залегают слоистые напластования грунтов, будет определяться по формуле:

о.5(ка )2

^ Ь121 (8)

Ет

=1 Е

где: Ка - мощность активной зоны сжатия грунта под сваями; Ет -

среднее значение модуля деформации грунта на всю глубину активной зоны сжатия грунта под сваями; V - коэффициент Пуассона грунта активной зоны.

Активная зона сжатия грунта под подошвой свайного фундамента определяется с помощью метода эквивалентного слоя предложенного Н.А.Цытовичем и равна удвоенной мощности эквивалентного слоя:

(5)

где: Ка - то же, что и формуле (5); К - мощность отдельных слоев грунта, причем первый слой от условной подошвы свайного фундамента принимается равным четырем диаметрам сваи с модулем Е0; Е{ - модуль деформации последующих слоев грунта; - расстояние от нижней границы сжимаемой толщи до середины рассматриваемого слоя.

Определив коэффициенты жесткости основания плитной части и свай комбинированного свайно плитного фундамента можно определить долю участия ростверка в несущей способности по формуле:

С

£ _ рост

(9)

где: Кэ - мощность эквивалентного слоя

(6)

где: Ь - ширина фундамента; к0 - безразмерный коэффициент определяемый в зависимости от отношения т=Ь/1 и п=а/Ь (где а и Ь длина и ширина площади загруже-ния) определяемое по таблице; А/ -коэффициент эквивалентного слоя для нагрузки, действующей на глубине I:

А1 = (1 -у)/(1 -у- 2у 2) (7)

Среднее значение модуля деформации грунта на всю глубину активной зоны сжатия грунта под сваями, в общем случае, когда под по-

где: С = СсВ + Срост - коэффициент жесткости основания комбинированного свайно-плитного фундамента.

Исходя из этого, количество свай комбинированного свайно-плитного фундамента определится по формуле:

N1

п =-1—г (10)

(1+0 р1

где: N - расчетная вертикальная нагрузка на фундамент на основе расчета оснований по 1-му пре-

п 1

дельному состоянию; Рсв - расчетная нагрузка на сваю.

На основе всего выше сказанного расчет комбинированного свай-но-плитного фундамента можно представить в виде следующего алгоритма:

А

B.B. Семенов, Д.Ю. Чюнюк

1/2006

Рис. 1. Схема разбиения плана сооружения на сетку конечных элементов и присвоение им жесткостных характеристик

свай и плитной части. С1 - жесткость плитной части С2 - жесткость оснований свай

л

^bbfcitäbbbbfcsbhkshbtäfcä

17 к / % ? к i Г 7ЙПЖ 1 г к it i П? к/к F к Гк I

isrjsrjjrjsrjjr jsrjsrisrjsrjsr

№

Шг— JSrJSrjSrjSrjsr jjrjjrisrjjrjjr ДЯНЯГЛГДЯВДГ «вдад-ДЯДО

Isjs1 аяч яr j я яч я 'аягая аягая waa ая'ая ая'ая 'аягая'аягая аягаа"аягая is1 jgl

Bp S rj Я fj J Fj Я rJ Я Ijnrj S FJ 8 rJ rj Я rJ Я fjsrj rj Д FJ srj 9 ri S rjHrj S fj В ri rj Я rj S rjarj Я rj IfÜ Я rjS rj я rj j rj j rj Srj я rjj rj я fj j rj j rj S^ ¡Щrj SO Srjj rj jrj я fj|rj S rj j rj j rj jrj я rjjB

|яг WaaWiaW аязд^ячаздг li^iiraar&f' дя'Звая'Зя'йг ill

I5fJ9 rj H Ij Я rJSri Я'J H rjs rj я rj я rjsrj цгу Я rjs rj д ^ я rjsrj я rj д гjs rj в rJ Я rjS'J Я rJ В rJ9 rJ »1 В ¡Wj я rjj rj jjfj Я fJ Я ЯУ Я у S 0 Srj Я fj Я rj srj я rjs rj |rj я rjS rj srj SrjS fj jrj я f|j rj jfj «

■Я rj si 'J Я ГjHrj Я fj H rja rj iji rj ¡j rjarj Я rj Д rjji rj я rj Я rjairj Я rj a rj srj я rj я rjarj Я rJH rj яГЗд Ш ■i'j Я <"ЛЗ rj яга я rJ3 rj яП1 Я rjs ЯП| Я гля 'J üfj s Irj ЯП| Я f JS rj Я' J Я Г|Я kl Я'J Я fJ5' J Я FJ Я »JSl |a rJ я js1 j я üb raSQ яОя lap аяга нга ¡Ш 1 j я"jä'js rJ 3 rJ srj я kiS'ja'j я rj a1 j a rjs rJB| Дг"~||гЛГдчяЗДг " jarjjilirjgrjgr "JiririiFii'-iir-'iirjirlirjarjir "jj| рчя^ая^ая^л'аяоя^ая^ая-аяуя'ая'ая^яуяояуя-аячя^ая-ая! щйимя^ягаягягданДО

Я' J Я rj Sirj я rjs«'i s^i Я fj Я rj Brj я p^s rj 'j S1 JS i'i S^J S 'JS ri Sia Я J S "J5 ri Я JS

Pri я rja rj a rj я ijarj яfj a rj я rj a rj я rjBrj я rj a rj я'j a rj я rj arj я I j a rj j я rj я rjarj я fj я rj

■Tjs'jjiijsijsijjirisijsrjsriaijgrjsriyjs^rjgijsijstjsijsrjsrjsijsijsijsiis'jsp Bar ^ВШиЗЖИГ " ддгаизигд^иг идцяеиг Ш

В' а я 'дя! ад p j» ая p ля Ша '1Я > ая' а я> ja I ля»а д CI я »ангая» а н > ля> аа^ д я>ан! дд »3 яр ля» а я'j яи ■Га Я ПЛ Я ГЛ Я rj ЯУ я rj SrJ Я ГЛЯ rj ЯГЛ Я rJ Я пл Я'J Я ГЛД rj srj я rJ Я rj ЯГЛ Я >ЗЯ rj ДГЛ я ГЛЯ rj srj Д rjsl я г jar j я а 0 я я rjnO я fj я Оз 0 я rj я rjnrj sri в rjs rj jp rj j гjarj s rj в fj jrj а гj j гjh| ' S ' i ЯЧЯ Г|| ij ¡¡Г| ¡j р"|Я 'J S' i Я! 'j J! i Я i'is > i ЯР i Я p J S1 iS' if i ■' J ЯI i 5! i Я! i S ji 1 j s бглягj Я rj 9 rj Srj Я kl Я rjsrj я Tj в rj яг j Я rj Я kJBrj Я rj Я rj ягл Я kj Я kJMrj Я rj Я rj Я^ Я Г|Я kj Я r j ^ r ЗЯШ^ЯШШ' iS'JSMü'JS'JV js'jjrjs'jsyr

./ щцгщ,i/ .у .¡f i,\t ^rv ,\i у mШЩщ^ щщ^

%

с с. с, |с с. с с

ц щ 11 ш !!

1. На первом этапе, рассмотрения плана сооружения, производится разбивка его на сетку конечно-элементной модели. Шаг элементов принимается с учетом расположения разбивочных осей здания, а также исходя из диаметра применяемых свай.

2. Сбор нагрузок на фундамент.

3. Определение коэффициента жесткости (коэффициента постели) плитной части и группы свай.

4. По формуле 10 производится определение количества свай приходящихся на фундамент, и, исходя из шага и разбивочной конечно-элементной сетки, определяется их положение в плане, так же на данном этапе задаемся толщиной плитной части.

5. Присваивается элементам сетки соответствующие им жесткости, исходя из жесткости основания плиты и группы свай (см. Рис.1).

6. Формируется схема загруже-ний. Следует помнить, что при фор-

мировании схемы загружения, нагрузки передаваемые на фундамент, следует располагать в местах пересечения конечных элементов (в узловых точках).

7. После формирования расчетной схемы, производится расчет с помощью соответствующих конечно-элементных программ (LIRA, SCAD, STARK и т.д.) и анализ результатов.

8. B случае больших деформаций или недопустимых напряжений в конструкции следует вернуться к расчету количества свай или увеличить толщину плиты, и произвести повторный расчет.

Исходя из данного алгоритма принятие окончательного решения по определению конструкции фундамента сводится к сравнению полученных данных с нормативными деформациями для сооружений категории и технико-экономическому анализу.