Исследование влияния локальных повреждения подпорных стен на работу свайного фундамента здания, расположенного вблизи удерживаемого откоса грунта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ 4.

ОСНОВАНЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И МЕЙСМОСТОЙКОСТЬ УДК 624.137

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОДПОРНЫХ СТЕН НА РАБОТУ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА ЗДАНИЯ, РАСПОЛОЖЕННОГО ВБЛИЗИ УДЕРЖИВАЕМОГО ОТКОСА ГРУНТА

Дьяков И.М., Игнатенко Н.А.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Рассмотрено изменение напряженно-деформированное состояние свайного фундамента здания, расположенного вблизи откоса грунта, удерживаемого массивной подпорной стеной при возникновении в ней повреждений. Проанализированы результаты численного эксперимента. Выявлены зависимости изменения изгибающего момента, продольных и поперечных сил в сваях от размеров повреждения в подпорной стене и расстояния от здания до подпорной стены. Обоснована необходимость проведения дальнейших исследований и разработки методики оценки живучести свайных фундаментов при возникновении локальных повреждений подпорных стен и удерживающих сооружений. Удерживающая конструкция, подпорные стены, локальные повреждения, свайный фундамент, живучесть

Введение

Значительная часть зданий и сооружений возводится на сложном рельефе с уже имеющейся системой откосо- и/или оползнеудержания. При наличии таких систем на осваиваемом под строительство участке, свайные фундаменты зданий, как правило, проектируются без учета возможности возникновения дополнительных нагрузок от активного или оползневого давления грунта. В реальных условиях подпорным стенам и удерживающим конструкциям характерны локальные повреждения в виде: деградации кладки, возникновения вывалов, местной потери устойчивости, ограниченного сдвига, разрушения отдельных элементов и т.д. При этом повреждения подпорных стен или систем оползнеудержания может привести к возникновению запредельных нагрузок на свайные фундаменты зданий, находящихся в зоне влияния откосов грунта или оползней.

Учитывая, что активизация оползневых процессов, обрушения откосов грунта ежегодно приводят к значительному материальному и другим видам ущерба, целесообразно проведение исследований влияния тех или иных локальных повреждений в подпорных стенах и удерживающих сооружений на напряженно-деформированное состояние свайных фундаментов зданий, расположенных на удерживаемых территориях. Необходима разработка методов расчета их живучести и определение путей повышения безопасности эксплуатации в рассматриваемых условиях.

Анализ публикаций

Исследованиями формирования горизонтальных нагрузок на сваи, их напряженно-деформированного состояния и несущей способности занимались такие ученые, как В. Г. Березанцев, Г. И. Глушков, Л. К. Гинзбург, В. Н. Голубков, С. П. Горбатов, Б. Н. Жемочкин, К. С. Завриев, Н. В. Лалетин, Н. С. Метелюк, В. С. Миронов, А. И. Прудентов, И. А. Симулиди, Н. К. Снитко, Г. Ф. Шишко, Г. С. Шпиро и др.

Одной из наиболее известных методик расчета опор глубокого заложения на горизонтальную нагрузку является методика К. Терцаги. Подробное изложение этой методики приведено в книге К. С. Завриева и Г. С. Шпиро [4]. Для расчета вертикальных удерживающих элементов на горизонтальную нагрузку эта методика была усовершенствована Л. К. Гинзбургом с учетом разработанной им расчетной схемы удерживающего элемента.

В работах Маций С.И. [5] и Деревенец Ф. Н. [6] рассмотрено влияние отпора грунта низового склона на несущую способность свайного удерживающего сооружения. Решение задачи изменения во времени реактивного отпора для изгибаемых противооползневых свай в случае установившегося вязкого течения отползающего от стенки массива было получено Бусловым А. С. и Ломакиным С. А. [7]. Вместе с тем, исследования трансформации напряженно-деформированного состояния свай здания на

территориях, закрепленных удерживающими сооружениями или подпорными стенами в случае их локальных повреждений не проводились.

Цель и постановка задач

Цель исследования - выявить влияние повреждений в подпорной стене на напряженно-деформированное состояние свайного фундамента здания, расположенного вблизи удерживаемого откоса грунта.

Задачи исследования:

1. На основании численного эксперимента изучить влияние размера повреждения в подпорной стене и расстояния от здания до подпорной стены на напряженно-деформированное состояние свайного фундамента здания.

2. Обосновать необходимость проведения исследований в области устойчивости и живучести свайных фундаментов зданий, находящихся в зоне влияния удерживаемых откосов грунта и на закрепленных оползневых участках при локальных повреждениях подпорных стен и удерживающих сооружений.

Методика исследований

Численные исследования проводились в программном комплексе Plaxis 3D Foundation. Для оценки влияния повреждения подпорной стены на усилия в сваях фундамента здания была построена конечно-элементная модель, представляющая собой произвольный участок грунтового массива размерами в плане 10х30 м, глубиной 15 м с перепадом высот 4 м (рис. 1).

1

Рис. 1. Конечно-элементная модель

Грунтовый массив сложен пылевато-глинистыми грунтами. Для удержания откоса грунта использована подпорная стена толщиной 1 м, заглубленная в грунт основания на 2 м. Здание располагалось за подпорной стеной. Фундамент здания - свайный с размерами ростверка 6х6 м и железобетонными сваями диаметром 0,6 м и длиной 8 м, расположенными в шахматном порядке с шагом 2 м. Расстояние от крайнего ряда свай до подпорной стены изменялось в пределах от 1 м до 20 м.

В численном эксперименте варьировались: расстояние от подпорной стены до здания, характеристики грунта и размеры повреждения в подпорной стене, которые принимали значения 2х4 м; 3х4 м; 4х4 м; 5х4 м; 6х4 м. Анализировалось изменение

напряженно-деформированное состояние грунтового массива и свайного фундамента здания.

Результаты и их анализ На первом этапе эксперимента в качестве грунта использовался суглинок с небольшим сцеплением С=7 кПа. Введение повреждений в подпорную стену размерами более 4х6 м приводило к потере устойчивости откоса грунта. При расстоянии от подпорной стены до свай более 8 м и отсутствии грунтовых вод значительные дополнительные усилия в сваях не наблюдались.

в) 10 м

Q

г) 7 м

Q

xz

д) 5 м /

Q

№

е) 2

Q

Мх

Рис. 2. Эпюры усилий и Мхг в сваях при расстоянии до подпорной стены а -20 м,

б -15 м, в -10 м, г -7 м, д -5 м и е -2 м

На рис. 2 представлено изменение характера и ординат эпюр изгибающих моментов и поперечной силы в сваях по оси Х с уменьшением расстояния до подпорной стены при размерах повреждения 3х4 м. Как видно из рисунка, дополнительная нагрузка, связанная с возникновением повреждения в подпорной стене, в наибольшей степени передавалась на первый и третий от подпорной стены ряды свай. Для третьего ряда свай уже на расстоянии 15 м от подпорной стены было характерно увеличение ординат эпюр

изгибающего момента и поперечных сил, изменение формы эпюры со сменой знака ординат.

а)

30 25 20 15 ' 10 5 0 -5

9 11 13 Расстояние,м

15 17 19

б)

9 11 13 Расстояние,м

15 17 19

50 40

30 20

10

-10

7 9 11 13 15 Расстояние,м

3

5

7

3

5

7

0

д)

60 т

50---

40-----

о 30------

^ 20------

10------

0 , , - •

-10 ^

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Расстояние, м

Рис. 3. Изменение максимальных значений усилий в сваях в зависимости от расстояния до подпорной стены при ее повреждении: а) 2х4 м; б) 3х4 м; в) 4х4 м; г)

5х4 м; д) 6х4 м

Сокращение расстояния между сваями и подпорной стеной до 2 м при рассматриваемом повреждении привело к увеличению максимальной поперечной силы в сваях первого ряда на 35%, а максимального изгибающего момента на 25%. Таким образом, дополнительное догружение свай в значительной степени зависит от их размещения в фундаменте.

Усилия, действующие по оси У, изменялись несущественного (рис. 3). Это связано с центральным расположением зоны повреждения подпорной стены относительно свайного фундамента и отсутствием значительно арочного эффекта между сваями.

Максимальное увеличение усилий в сваях было достигнуто при расстоянии до подпорной стены 2м и размерах повреждения 6 х 4 м, составило для изгибающего момента М^ 50% от фонового значения и 41% для поперечной силы Qx.

Продольная сила N в сваях начинала увеличиваться только при расстоянии до подпорной стены менее 5 м и изменялось не более, чем на 4% (рис. 4), что не является критическим для рассматриваемых свайных фундаментов.

— Ох Оу Муи Мхи

2x4 3x4 4x4 5x4 6x4

Размер повреждения

Расстояние до подпорной стены, м

-—1 — 2 3 4 6 —1— 7 -8 -9 10

-■-11 12 13 14 -•-15 16 -17 -18 19 20

Рис. 4. Изменение максимального значения продольного усилия N в сваях в зависимости от размера повреждения подпорной стены

Наибольшие изменения при возникновении повреждений в подпорной стене претерпевали усилия Мхг и Qx. При расстоянии до подпорной стены более 7 м увеличение усилия Qx. не превышало 4%. Для всех типов повреждения интенсивное увеличение поперечной силы происходило с уменьшением расстояния до подпорной стены менее 7 м. При расстоянии до стены 2 м Qx достигала максимального приращения 26-42%.

Изгибающий момент Мхг на расстоянии более 5 м от подпорной стены изменялся в пределах 5-6%. При приближении к стене на расстояние менее 5 м момент интенсивно увеличивался. При расстоянии первого ряда свай от подпорной стены 2 м приращение момента Мхг составляло 14-32% относительно стадии с неповрежденной подпорной стеной.

Влияние размера повреждения подпорной стены на работу свайного фундамента прослеживается на рис. 5. Как видно из рисунка, при расстоянии от свай до подпорной стены более 10 м, повреждения в конструкции размером менее 6х4 м не приводили к значительному изменению в работе свайного фундамента здания. При меньшем расстоянии увеличение повреждения способствовало росту приращения усилий в сваях.

а)

Размер повреждения, м

Размер повреждения, м

Расстояние до подпорной стены, м

—2 —*— з 4 —*— 5 -•-6 —1— 7 -8 9 10

11 12 13 14 15 16 -17 18 —•— 19 20

Рис. 5. Изменение максимальных значений поперечной силы (Зх (а) и изгибающего момента Ми (б) в сваях в зависимости от размера повреждения подпорной стены

Численные исследования показали, что грунтовые условия оказывали существенное влияние на изменение напряженно-деформируемого состояния свайных фундаментов с возникновением повреждений в подпорной стене. С увеличением сцепления грунта чувствительность свай к запредельным воздействиям возрастала. На рис. 6 и 7 представлены диаграммы изменения максимальных значений поперечной силы и изгибающего момента вдоль оси X в сваях, погруженных в полутвердую глину с сцеплением С=42 кПа и твердую глину с сцеплением С=70 кПа. При размещении здания на расстоянии ближе 4 м от подпорной стены повреждения в ней приводили к увеличению максимальных усилий в сваях в 1,5 - 3 раза. Следует обратить внимание на характер изменения изгибающего момента. На расстоянии 7-10 м от подпорной стены на графиках появляется вторая точка экстремума с увеличением изгибающего момента на 20 %, что можно объяснить формированием нескольких плоскостей скольжения откоса грунта.

а)

б)

10 13 ]> 1& 20

Расстояние JO пкщнриои стены, м

|вдстлян1гс до по;що[!мгл1 стсяъг м

Рис. 6. Изменение максимальных значений поперечной силы Ох (а) и изгибающего момента Мх/ (б) в зависимости о расстояния до подпорной стены при различных повреждениях в стене (глина полутвердая, С=42 кПа)

а) б)

1 - 3 -1 5 <> 7 К 3 10 13 13 20 I 2 Т 4 ^ ей 7 в. * Ю П 15 18 20

Ра слоям не ни щюр ной стен ы, м " Рагсгон не к- до паныр ной стеяы, м

Рис. 7. Графики изменение максимальных значений поперечной силы Ох (а) и изгибающего момента Мх/ (б) в зависимости о расстояния до подпорной стены при различных повреждениях в стене (глина твердая, С=70 кПа)

Выводы

1. Повреждения подпорной стены приводят к возникновению значительных запредельных нагрузок на свайные фундаменты зданий, расположенных вблизи удерживаемого откоса грунта. При этом, горизонтальные догружения свай в несколько раз могут превосходить первоначальные усилия.

2. Величина догружений свай зависит от размера повреждения, расстояния от здания до подпорной стены, конфигурации свайного фундамента здания, грунтовых условий. Распределение дополнительной нагрузки между сваями неравномерно и зависит от многих факторов. Наибольшие приращения усилий происходят в сваях первого ряда. В наибольшей степени возрастают изгибающий момент Мхг и поперечная сила Qx.

3. При проектировании зданий у откосов грунта необходимо учитывать возможность возникновения запредельных воздействий на фундаменты при возникновении повреждений в удерживающих откосы подпорных стенах. В связи с этим, для разработки методик определения уровня догружения свай и расчета живучести свайных фундаментов необходимы дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования

Список литературы

1. Деревенец Ф. Н. Взаимодействие оползневого грунта со сваями с учетом конфигурации удерживающего сооружения: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук :05.23.02 / Ф. Н. Деревенец. - Волгоград, 2006. - 24 с.

2. Гинзбург Л. К. Противооползневые удерживающие конструкции. - М., Стройиздат, 1979. - 80 с.

3. Основания и фундаменты: Справочник/Под ред. Г. И. Шевцова - М.: Высш. шк., 1991. - 383 с.

4. Завриев К. С., Шпиро Г. С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. - М., Транспорт, 1970. - 206 с.

УДК 69.057; 69.07

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА СБОРНО-МОНОЛИТНЫХ ЖИЛЫХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ КАРКАСНО-СВЯЗЕВОЙ СХЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛЁГКИХ БЕТОНОВ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ КРЫМА

Пушкарёв Б.А., Арбузова Т.А., Здоровенко А.А.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Рассмотрены технико-экономические показатели, применяемые для определения эффективности строительства зданий различных конструктивных схем. Выполнен анализ публикаций по сборно-монолитному способу строительства. Сделан обзор строительства сборно-монолитных зданий. Приведены преимущества этого класса строительства по сравнению со сборным и монолитным строительством. Обращено внимание на необходимость выполнения технико-экономических расчётов при выборе конструктивных схем, материалов и методов строительства в сейсмических районах Крыма. Сформулированы цель и задачи научно-исследовательской магистерской работы А.А. Здоровенко.

Сборно-монолитное строительство, лёгкий бетон, сейсмика, многоэтажные жилые здания, технико-экономические показатели, эффективность

Введение

В проектной практике экономическая эффективность применяемых в строительстве материалов и изделий рассчитывается при сравнении нескольких возможных вариантов принимаемых решений с использованием взаимозаменяемой продукции, а также для определения рациональной области применения новых материалов и изделий. При сравнении вариантов выбирается лучший материал (по эффективности применения), который определяется наименьшей суммой приведенных затрат с учетом капитальных вложений в производство данной продукции; наименьшая трудоёмкость строительства, наименьшие затраты на машины и механизмы; наилучшая технология строительства; наименьшая себестоимость строительства и эксплуатации с учётом их экологичности, а также наименьшие энергозатраты на производство материалов, на строительство и эксплуатацию здания. На эффективность строительства также влияют объёмно-архитектурные, конструктивные решения и способы строительства: монолитные, сборные и сборно-монолитные. Сборно-монолитный класс строительства, в последнее время, заказчики и проектировщики применяют очень редко. Однако, только этот класс строительства зданий может включать в себя лучшее в железобетоне: применение высокопрочных сталей; применение сборных предварительно-напряжённых конструкций из тяжёлых и лёгких бетонов; замена ручного труда механизированным с изготовлением большей части конструкций на заводах железобетонных изделий; создание жёстких конструктивных схем, не уступающих монолитным.

Анализ публикаций

Исследованиями в области сборно-монолитных конструкций занимались В.Н. Байков, А.П. Васильев, А.А. Гвоздев, Е.П. Гуров, О.О. Довженко, С.А. Дмитриев и др. [1-