CC BY
174
УДК 624.154.1
МАЛЫШКИН А. П. ЕСИПОВ А. В.
Численные исследования взаимного влияния свай в группах
Малышкин Александр Петрович
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Проектирования зданий и градостроительства» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный университет»
e-mail:
apetrovich.m@ yandex.ru
Есипов Андрей Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный университет»
e-mail:
Исследования свайных фундаментов под здания с большими нагрузками на грунтовое основание являлись актуальными во все времена, что связано с высокими затратами на возведение таких конструкций. Оптимизация расположения свай в свайных группах и свайных полях может привести к значительной экономии средств при сохранении несущей способности фундаментов. В статье представлены численные исследования осадок свайных групп с различным шагом свай. Расчеты выполнялись по модели Мора — Кулона в геотехнической программе Plaxis. В результате проведенной работы были получены графики осадок свайных групп и оценено взаимное влияние свай между собой.
Ключевые слова: группа свай, расчет осадок, модель Мора — Кулона, взаимное влияние свай.
MALYSHKIN A. P., ESIPOV A. V.
NUMERICAL RESEARCH OF THE MUTUAL INFLUENCE PILES IN GROUPS
Research pile foundations for buildings with large pressures on the foundation soil is actual at all times and this is due to the high cost of construction of such structures. Optimization of location piles and pile groups of pile fields can result in significant cost savings while maintaining the bearing capacity of foundations. The paper presents numerical researches sediment pile groups with in various increments piles. Calculations were made by model Mohr-Coulomb in geotechnicalprogram Plaxis. As a result of this work were obtained graphics sediment pile groups and assessed the mutual influence of piles together.
Keywords: group piles, calculation sediment the Mohr — Coulomb model, the mutual influence the piles.
Взаимное влияние свай в группах
На сегодняшний день известны сотни видов свай из различных материалов и разной конструкции, однако в России наиболее распространенными остаются забивные призматические железобетонные сваи заводского изготовления, получившие широкое распространение в суровых климатических условиях за счет минимизации работ на строительной площадке, наличия большого количества сваебойного оборудования и надежности работы сваи в грунте.
Забивные сваи относятся к сваям с уплотненным основанием, технология устройства которых обеспечивает полное вытеснение грунта из объема сваи в окружающий массив, что приводит к образованию локальной зоны уплотнения грунта с улучшенными физико-механическими характеристиками.
Отличительная особенность работы фундаментов на забивных сваях в отличие от буровых свай заключается в компоновке конструкций фундаментов и особенностях расчетной модели. По принципу работы свайных фундаментов расчетные модели можно разделить на два вида:
1 Классическая модель свайного фундамента, хорошо представленная в литературе [1] и реализованная в действующих строительных нормах [2]:
— расстояние между осями свай в плане 3+4а11;
— при забивке свай грунт вокруг нее уплотняется, а сваи и зажатый между ними грунт рассматриваются как единый массив;
— нагрузка на грунт передается как по боковой поверхности фундамента, так и в плоскости нижних концов свай.
2 Модель свайно-плитных фундаментов с разряженным шагом свай, в которых предполагается часть нагрузки передавать через подошву фундаментной плиты [3]:
— расстояние между осями свай 5+7 ё22;
— между сваями грунт не зажимается, сваи работают как одиночные;
— длина свай составляет от половины до ширины фундаментной плиты;
— до 15% общей нагрузки воспринимается подошвой плиты.
1 ^ — диаметр или сторона забивной сваи.
2 ё2 — диаметр забивной или буровой сваи.
86
© Малышкин А. П., Есипов А. В., 2016
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2017
20
g
a
о
30 40 50 60 70
Нагрузка на свакх кН 200 400 600
800
i t
—График осадки ■ Предельная осадка Несущая способность ——Осадка по СНиП
1
Иллюстрация 1. График «нагрузка-осадка» для одиночной сваи С 60-30. Авторы: А. П. Малышкин, А. В. Есипов
Иллюстрация 2. Схема расположения свай в группе. Авторы: А. П. Малышкин, А. В. Есипов
Таким образом, действующие строительные нормы [2, 3] предлагают всего две расчетные модели фундамента на забивных сваях, имеющие, в свою очередь, весьма жесткие рамки, заключающиеся в требованиях по расположению свай в плане и отличающиеся поведением грунта в межсвайном пространстве.
Одновременно с этим многочисленные исследования [1] показывают, что даже при забивке свай с шагом 3-4 d ростверк частично включается в работу и повышает несущую способность фундамента на 20-30 % при условии расчета фундамента по деформациям. Это свидетельствует о неполном «зажатии» грунта между сваями и включении ростверка в работу.
В то же время при разреженном шаге свай 5 - 7 d проявляется их взаимовлияние, выражающееся в получении дополнительных осадок от соседних свай и увеличивающее общие осадки группы свай по отношению к одиночной свае. При исследовании осадок ленточных свайных фундаментов [1] выявлено, что осадка фундамента при нагрузке 1/2 - 1/3 от критической при шаге свай 6ё в 1,5 и 2 раза, а при шаге 3ё в 4 и 7 раз больше, чем осадка одиночной сваи для однорядных и двухрядных фундаментов соответственно.
Результаты экспериментально-тео ретических исследований А. А. Бартоломея [1] в целом подтвердились численными экспериментами распределения нагрузки между сваями в пяти- и девятисвайных фундаментах [4], а также оценкой напряженно-деформированного состояния
и осадок фундаментов в случае удаления центральной сваи [5].
Проведенные работы [4, 5] выявили необходимость прямого исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и осадок ненагруженных свай при влиянии на них нагруженных свай, расположенных в непосредственной близости. Это в будущем позволит создать такие расчетные модели фундаментов, основанные на оптимальном расположении свай, которые будут отвечать современным требованиям снижения материалоемкости и стоимости конструкций, что на сегодняшний день является особенно актуальным.
Численное моделирование НДС и осадок свай в группах
Проектирование высотных зданий с большеразмерными фундаментами и большими нагрузками на основание неразрывно связано с численным моделированием надземных несущих конструкций и фундаментов. Для изучения взаимного влияния свай в группах проведена серия численных экспериментов в нелинейной постановке по упругопластической модели Мора — Кулона.
Для чистоты эксперимента приняты данные по физико-механическим характеристикам грунтов, аналогичные приводимым в работах [5-7]. Грунтовое основание однослойное, из мягкопластичного суглинка: удельный вес -у = 19,8° кПа, показатель текучести J^ = 0,61, удельное сцепление сп = 15 кПа, угол внутреннего трения 1р = 23,4°, модуль деформации Е0 = 14800 кПа,
модуль упругости Еу = 29 500 кПа. Размеры площадки в плане 10 х 10 м, глубина 16 м.
Расчет выполнялся в специализированной геотехнической программе Plaxis 3D Foundation. Грунт и сваи смоделированы 3D-элементами. Деформации основания от собственного веса грунта, изготовления фундаментов и устройства свай обнулялись и для чистоты эксперимента не учитывались.
На первом этапе выполнялся базовый расчет забивной сваи, заключающийся в моделировании осадки одиночной призматической железобетонной сваи С 60-30 длиной 6 м, сечением 300 х 300 мм под нагрузкой и определении ее несущей способности.
Несущая способность сваи согласно п. 7.3.3 [3] при осадке п. 7.3.5 [3] s = Z ■ su,mt = 0,2 ■ 150 мм = 30 мм составила 665 кН. При этом расчетная осадка сваи согласно п. 7.4.4 [3] при нагрузке 665 кН составила 12,2 мм. Значительное расхождение в осадках сваи, полученных при численном моделировании по нелинейной модели Мора — Кулона и согласно СНиП [3] по методу линейно-деформируемого полупространства, связано с областью применения расчета, заложенного в СНиП, хорошо прогнозирующего осадки сваи в пределах линейной пропорциональности между осадкой и нагрузкой.
Так, согласно Иллюстрации 1, начиная с нагрузки 500 кН и выше график «нагрузка-осадка» имеет явный нелинейный характер, а при нагрузке 500 кН при численном моделировании по модели Мора — Кулона осадка
Иллюстрация 3. Графики осадок ненагруженной центральной сваи в кусте при влиянии одной и двух соседних свай. Авторы: А. П. Малышкин, А. В. Есипов
Иллюстрация 4. Графики осадок ненагруженной центральной сваи в кусте при влиянии трех и четырех соседних свай. Авторы: А. П. Малышкин, А. В. Есипов
составила всего 5,5 мм, что меньше значения, полученного по СНиП [3], 9,2 мм.
Хотя осадку сваи под нагрузкой в пределах линейной работы рекомендации СНиП [3] описывают вполне приемлемо, для учета взаимовлияния свай при нагрузке, равной несущей способности сваи, этого явно
недостаточно, а нелинейные особенности грунтового основания невозможно учесть линейным расчетом осадки.
На втором этапе выполнялось исследование осадки центральной ненагруженной сваи в группе из пяти свай при загружении крайних одной, двух, трех и четырех свай. При этом
шаг свай в группе был принят в максимально возможном диапазоне и составлял 0,9 м, 1,2 м, 1,5 м, 1,8 м и 3,0 м. Схема расположения свай в группе представлена на Иллюстрации 2. Группа свай не объединялась единым ростверком и взаимодействовала между собой только через грунтовое основание.
При влиянии первой сваи, При влиянии двух свай, При влиянии трех свай, При влиянии четырех
мм мм мм свай, мм
Шаг свай ^9 d^ ^9 d^ ^9 d^ .а" ^9 d^ .а"
в кусте, м 1= s w 'х ст о П s w 'х ст о П s w 'х ст о П s w 'х ст о
X X X X
о □L е о □L е о О- е о О- е
гр ог р ог р ог р ог
П П П П
0,9 5,6 2,6 54,2 11,2 5,7 49,4 16,8 14,9 11,4 22,4 28,6 27,7
1,2 4,6 2,3 50,1 9,2 4,8 48,3 13,8 8,1 41,4 18,4 13,7 25,8
1,5 3,8 2,1 45,2 7,7 4,3 43,7 11,5 6,8 41,1 15,3 9,6 37,2
1,8 3,2 2,0 38,6 6,4 4,0 37,7 9,6 6,2 35,7 12,8 8,5 34,1
3,0 1,5 1,6 -8,2 2,9 3,0 -2,7 4,4 4,2 3,4 5,8 5,6 3,9
Анализ результатов НДС и осадок свай в группах
Из анализа графиков осадок центральной ненагруженной сваи в группе из пяти свай с загружением внешних свай нагрузкой, равной несущей способности сваи (см. Иллюстрации 3 и 4), выявлено, что при влиянии одной и двух свай в группе и любом шаге загруженных свай характер осадки центральной ненагруженной сваи линейный.
На Иллюстрации 4 представлены осадки центральной ненагруженной сваи при влиянии трех и четырех соседних свай в кусте.
Характер осадки центральной ненагруженной сваи при влиянии трех и четырех загруженных свай становится нелинейным при шаге свай в группе 0,9 м и 0,9 м + 1,2 м соответственно, причем «срыв» графиков осадок начинается с нагрузки 450 кН, в то время как нелинейный характер графика «нагрузка-осадка» для одиночной сваи начинается с нагрузки 500 кН.
Из сравнения осадок центральной ненагруженной сваи в группе, рассчитанных по СНиП [3] и в программе Plaxis 3D Foundation, видно, что разница в результатах напрямую связана с шагом свай в группе (см. Таблицу 1).
Чем меньше шаг свай в группе, тем больше разница в расчетах по СНиП [3] и в программе Plaxis 3D Foundation. При шаге 0,9 м погрешность расчетов составляет 54,2%. С увеличением шага свай до 1,8 м погрешность уменьшается до 38,6%. При шаге свай 3,0 м погрешность расчетов находится в приемлемом диапазоне и составляет 8,2%.
При шаге свай 0,9 м и влиянии четырех свай осадка центральной ненагруженной сваи составила 28,5 мм, что всего лишь на 5% меньше осадки одиночной сваи. Это свидетельствует о практически полном «зажатии» грунта между сваями.
Приведенные выше графики осадок ненагруженных свай в составе кустов подтверждают результаты ряда исследователей о зависимости деформации грунта в межсвайном пространстве, а также ниже концов свай от вида, шага и длины свай [6-8]. Обратим внимание, что уплотнение грунта, возникающее при забивке свай, в данной работе не моделировалось и расчетами не учитывалось. Одновременно с этим уплотнение грунта будет лишь усугублять ситуацию и увеличивать взаимное влияние свай между собой.
Заключение
По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1 Оценка взаимовлияния свай в группах по СНиП [3]
дает приемлемые результаты при шаге свай 3 м и бо-
лее. При меньшем шаге свай СНиП [3] завышает осадки от взаимовлияния свай на величину более 50%.
2 При шаге свай в группе 0,9 м и 1,2 м грунт между сваями зажат полностью и вовлекается в осадку вместе со сваями.
3 Существует необходимость корректировки конфигурации свайных полей для уменьшения взаимовлияния свай между собой для снижения материалоемкости фундаментов при сохранении их несущей способности при проектировании фундаментов по предельным осадкам.
4 В качестве задачи дальнейших исследований можно говорить об исследовании работы свайных кустов с высоким и низким ростверком с учетом и без учета работы центральной сваи.
Список использованной литературы
1 Бартоломей А. А., Омельчак И. М., Юшков Б. С. Прогноз осадок свайных фундаментов/под ред. А. А. Бартоломея. М. : Стройиздат, 1994. 384 с.
2 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. введ. 20.05.2011 г. М. : ОАО «ЦПП», 2011. 161 с.
3 СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов, введ. 21.06.2003 г. М. : ФГУП ЦПП, 2003. 81 с.
4 Малышкин А. П., Есипов А. В. Численные исследования распределения нагрузки между сваями в кустах // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2016. Т. 7. № 4. С. 31-38.
5 Малышкин А. П., Есипов А. В. Численные исследования напряженно-деформированного состояния и осадок свайных фундаментов с удаленной центральной сваей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2016. Т. 7. № 4. С. 93-101.
6 Юшков Б. С., Сергеев А. С. Расчет осадок фундаментов из коротких свай, устраиваемых на склоне в земляном полотне автомобильных дорог // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика. 2015. Т. 1. С. 510-514.
7 Шулятьев О. А. Фундаменты высотных зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2014. № 4. С. 202-244.
8 Безволев С. Г. Инженерная методика для расчета фундаментов в случаях применения больших групп свай // Механизация строительства. 2012. № 3. С. 36-44.
