CC BY
45
УДК 624.131
Мирсаяпов И.Т. - доктор технических наук, профессор
E-mail: mirsayapov@kgasu.ru
Королева И.В. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: koroleva@kgasu.ru
Садыкова А.Р. - студент
E-mail: alina@list.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Исследование влияния сейсмических и ветровых воздействий на параметры свайно-плитного фундамента высотного здания
Аннотация
Для качественного количественного прогнозирования поведений грунтовых массивов оснований фундаментов по специально разработанной методике, предусматривающей наложение динамических напряжений на статическое напряженное состояние образцов, проведены лабораторные исследования песчаных и глинистых грунтов. Амплитуда, частота и продолжительность действия динамических напряжений эквивалентны расчетному сценарному сейсмическому воздействию или динамической составляющей ветровой нагрузки. Полученные результаты были использованы при разработке проекта свайно-плитного фундамента с учетом влияния сейсмических и ветровых нагрузок на изменение жесткости свайного основания и как следствие на перераспределение усилий между отдельными элементами системы «грунтовое основание - фундамент - надземная часть здания».
Ключевые слова: динамическое нагружение, трехосное сжатие, сейсмическое воздействие, ветровая нагрузка, деформации грунта, свайно-плитный фундамент, свайное основание, жесткость, перераспределение усилий.
Введение
Опыт строительства высотных зданий оказывает, что во многих случаях негативные процессы, происходящие в отдельных конструктивных элементах, а также в здании в целом, связаны с недостаточной изученностью инженерно-геологических условий площадки строительства и некорректным прогнозированием геомеханических процессов, происходящих в грунтовых массивах оснований фундаментов.
Для качественного количественного прогнозирования поведений грунтовых массивов оснований фундаментов высотных зданий, прежде всего необходимо правильно определить прочностные и деформационные параметры грунтов основания, учитывая их исходное напряженно-деформированное состояние, большую глубину активной зоны деформирования, закономерности формирования и трансформации напряженно-деформированного состояния в процессе возведения здания, воздействия постоянных, а также ветровых и сейсмических нагрузок [1-9].
В г. Казани в акватории реки Казанка планируется возведение жилого комплекса, состоящего из двух высотных зданий, размещенных на общем свайно-плитном фундаменте. Под зданиями имеется общий подземный этаж, используемый как паркинг, полом которого является плитный ростверк фундамента.
Площадка проектирования осложнена наличием высокого уровня грунтовых вод и залеганием с поверхности земли слоев слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и слоев торфа мощностью до 3 м.
Другим осложняющим фактором является проектирование единого свайно-плитного фундамента без устройства деформационных швов в плитном ростверке.
В этой связи при расчете несущей способности и деформаций основания необходимо учитывать влияние на изменение физико-механических свойств грунтов динамической составляющей сейсмической и ветровой нагрузок.
Общие сведения о здании и площадке строительства
Многофункциональный жилой комплекс из двух высотных 27-ми этажных зданий. Они объединены между собой трехэтажной стилобатной частью. Один этаж стилобатной части является подземной парковкой.
Надземная и подземная части здания относятся к каркасным системам с центральными ядрами жесткости. Все конструктивные элементы надземной части здания выполнены из монолитного железобетона класса В30.
Основные вертикальные несущие элементы здания - колонны - выполнены переменного сечения по высоте 1,0 х 1,0 м, 0,9 х 0,9 м., 0,8 х 0,8 м. внутренние несущие стены имеют толщину 0,2-0,4 м. Железобетонные плоские перекрытия приняты толщиной 0,25 м.
Фундамент запроектирован свайно-плитным с толщиной плитного ростверка 1,5 м. Сваи забивные длиной от 8 м до 14 м, сечением 350 х 350 мм.
Продольная рабочая арматура всех элементов принята класса А500, поперечная арматура - класса А400.
Инженерно-геологические условия площадки строительства типичны для акватории реки Казанка: территория правого берега реки Казанка была намыта песчаными грунтами, мощность которых составляет от 3 до 12 метров, в результате чего погребенными оказались слои слабых водонасыщенных заторфованных грунтов, а также подстилающие их водонасыщенные глинистые грунты. Площадка строительства сложена водонасыщенными песками на глубину до 12 метров, подстилаемыми глинистыми грунтами мощностью до 80 метров, которые могут быть чувствительными к сейсмическим воздействиям, проявляя разжижаемость или тиксотропные свойства. Эти техногенные грунты стали основанием фундаментов жилого комплекса из 2-х высотных зданий высотой 100 м.
К вышеуказанным зданиям предъявляются повышенные требования по безопасности: при проектировании таких зданий необходимо учитывать влияние динамической составляющей ветровых нагрузок, приводящее к возникновению значительных давлений на грунты основания.
По этой причине на стадии изысканий требуется учесть влияние динамической составляющей ветровой нагрузки на изменение механических свойств грунтов оснований при обеспечении безопасности зданий и сооружений.
Поднятие уровня грунтовых вод и наличие тектонических разломов спровоцировали увеличение уровня сейсмической активности территории г. Казани. В соответствии с новой картой сейсмического районирования ОСР-97 на территории г. Казани прогнозируются землетрясения с интенсивностью 7 баллов на средних грунтах по шкале М8К 64, и как результат, требуется применение антисейсмического усиления при проектировании и возведении сооружений, а также оценка динамических свойств грунтов оснований при изысканиях.
В связи с вышеизложенным, при прогнозной оценке несущей способности и деформаций основания возникает необходимость учета влияния динамической составляющей ветровой нагрузки на изменение физико-механических свойств грунтов в процессе длительной эксплуатации здания до возникновения землетрясения.
Лабораторные испытания грунтов
Для определения влияния динамической составляющей ветровой нагрузки и сейсмической нагрузки на прочность и деформации грунтов основания на стадии изысканий были проведены лабораторные исследования грунтов.
Трехосные испытания песчаных и глинистых грунтов проведены на стабилометре по специально разработанной методике, предусматривающей наложение динамических напряжений на статическое напряженное состояние образцов грунтов. Амплитуда, частота и продолжительность действия динамических напряжений эквивалентны расчетному сценарному сейсмическому воздействию или динамической составляющей ветровой нагрузки.
Параметры ветровой нагрузки были получены по результатам первого этапа численного моделирования системы «здание - фундамент - грунтовое основание» (в этом
расчете рассматривались природные параметры грунтов основания), параметры землетрясения были получены по данным сейсмического микрорайонирования.
При создании лабораторной модели принималось, что в процессе эксплуатации здания воздействие ветровых нагрузок приводит к изменению характеристик грунта по отношению к начальному (природному) состоянию грунта.
Загружение образца происходило в три этапа. На первом этапе к образцу прикладывалась статическая нагрузка, эквивалентная природному напряженному состоянию грунта. На втором этапе моделировалось циклическое загружение, эквивалентное ветровому воздействию. Затем на образец грунта прикладывалась циклическая нагрузка в соответствии с приведенными параметрами сейсмической нагрузки.
Проведенные лабораторные исследования позволили установить закономерности поведения при циклическом трехосном сжатии образцов песчаных и глинистых грунтов при параметрах эквивалентных сейсмических и ветровых нагрузок. На начальном этапе развитие деформаций происходит интенсивно за счет доуплотнения грунта, затем деформации стабилизируются. Во всех образцах, испытанных при режимах циклического нагружения, эквивалентных сейсмическому и ветровому воздействию, вертикальная деформация не превышает 3,5 мм. В процессе испытаний не установлены внешние признаки достижения предельного сопротивления.
Анализ результатов лабораторных исследований позволил установить графическую зависимость между прочностью образца и количеством циклов нагружения (рис. 1а), а также между модулем общих деформаций образца и количеством циклов нагружения (рис. 1б). В данных исследованиях уменьшение указанных характеристик грунтов при циклическом нагружении в соответствии с принятыми параметрами эквивалентных циклических нагружений составило около 30 %.
■ 300 —г-Т-,-, Ы | 12 -
05 0 100 200 300 400 500 ч ?2 24 26 2в 30 3
N. количество циклов нагружения и, количество циклов нагружения
Рис. 1. а) График зависимости изменения прочности грунта от количества циклов нагружения; б) График зависимости изменения модуля общих деформаций грунта от количества циклов нагружения
Полученные результаты были использованы при разработке проекта свайно-плитного фундамента с учетом влияния сейсмических и ветровых нагрузок на изменение жесткости свайного основания и как следствие на перераспределение усилий между отдельными элементами системы «грунтовое основание - фундамент - надземная часть здания».
Численные исследования системы «здание - фундамент - основание»
Расчет высотного здания выполнен с учетом совместного деформирования системы «грунтовое основание - фундамент - надземная часть здания» (рис. 2) при условии перераспределения усилий между элементами системы на основные и особые сочетания нагрузок (сейсмическая нагрузка).
При расчете рассмотрены следующие варианты загружения: 1-е загружение -собственная нагрузка от веса несущих элементов, нагрузка от конструкции пола и стен; 2-е загружение - кратковременная полезная нагрузка; 3-е загружение - кратковременная снеговая нагрузка; 4-е и 5-е загружения - сейсмическое нагружение в направлении X и У; 6-е и 7-е загружения - статическая составляющая ветровой нагрузки в направлении X и У; 8-е и 9-е загружения - динамическое воздействие ветровой нагрузки в направлении X и У.
Рис. 2. Общий вид расчетной модели высотного комплекса
Расчет выполнен на программном комплексе Лира 9.4 с учетом возможного изменения прочностных и деформационных свойств грунтов основания при последовательном действии динамической составляющей ветровой нагрузки и сейсмической нагрузки и, как следствие, изменения жесткости свайного основания и плитного ростверка.
При выполнении расчетов свайных оснований с учетом совместного деформирования всей системы и изменения прочностных и деформационных свойств грунтов были определены оптимальные параметры свайного основания, а именно шаг свай в разных зонах; длина свай, осадки основания и распределение усилий в ростверке и сваях при допустимых значениях осадки (рис. 3-5)
Л. .«•А Л
»11 »11
* Ж 1;
- = -ж
Рис. 3. Схема размещения свай, установленная с учетом перераспределения усилий
Рис. 4. Вертикальные деформации плитного ростверка и грунта оснований
Рис. 5. а) Изополя напряжений (Мх) в плитном ростверке; б) Изополя напряжений (Му) в плитном ростверке
Заключение
При проектировании высотных зданий на сейсмически активных площадках строительства необходимо учитывать влияние динамической составляющей ветровой нагрузки на изменение физико-механических свойств грунтов оснований в процессе длительной эксплуатации здания до момента возникновения землетрясения и расчет сейсмостойкости оснований и фундаментов следует выполнять с учетом изменения свойств грунтов по сравнению с первоначальным (природным) состоянием.
Список библиографических ссылок
1. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Прогнозирование деформаций оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2011, № 4. - С. 16-23.
2. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Ползучесть и виброползучесть грунтов // Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов: Труды XIV междунар. симп. по реологии грунтов, Казань, 8-11 октября 2014. - Казань: Изд-во КГАСУ, 2014. - С. 8-23.
3. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Experimental and theoretical studies of bearing capacity and deformation of reinforced soil foundations under cyclic loading // Computer Methods and Recent Advances in Geomechanics: Proc. intern. symp., Kyoto, Japan, 22-25 September 2014. - Lieden: Balkema, 2014. - P. 742-747.
4. Tanaka T., Yoshiyuki Mohri, Zhussupbekov A. Zh. Elasto-plastic and Viscoplastic Finite Element Analysis - Direct Shear Box Test and Dynamic Deformation of Reinforced Embankment Dam // Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения: Труды XIII междунар. симп. по реологии грунтов, 24-27 апреля, 2012. - Казань: Изд-во КГАСУ. - С. 18-26.
5. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В., Иванова О.А. Малоцикловая выносливость и деформации глинистых грунтов при трехосном циклическом нагружении // Жилищное строительство, 2012, № 9. - С. 6-8.
6. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Bearing capacity and deformation of the base of deep foundations' ground bases // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proc. intern. symp., Seoul, Korea, 25-27 August, 2014. - Lieden: Balkema. - P. 401-404.
7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при сложном напряженном состоянии // Известия КГАСУ, 2011, № 2 (16). - С. 121-128.
8. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при режимном нагружении // Известия КГАСУ, 2012, № 4 (22). - С. 193-198.
9. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при циклическом трехосном сжатии // Международный журнал Геотехника, 2010, № 6. - С. 64-67.
Mirsayapov I.T. - doctor of technical sciences, professor E-mail: mirsayapov@kgasu.ru
Koroleva I.V. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: koroleva@kgasu.ru Sadykova A.R. - student E-mail: alina@list.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Research of influence of seismic and wind effects on the parameters of pile-slab foundation of high-rise buildings
Resume
In the design of high-rise buildings on the seismically active construction sites must take into account the effect of the dynamic component of wind load on the changes in the physical and mechanical properties of foundation soils during long-term use of the building until the occurrence of earthquakes and seismic stability calculation bases and foundations should be carried out taking into account the changes in soil properties compared to the original (natural) state.
In the city of Kazan in the waters of the river Kazanka planned to build a residential complex consisting of two buildings located on a common pile-slab foundation. Playground design is complicated by the presence of high groundwater levels and bedding from the surface layers of weak saturated silty clay soils and peat layers up to 3 m.
Triaxial tests sandy and clay soils stabilometry conducted on a specially developed method, providing for the imposition of the dynamic stresses on the static stress state of the soil sample. Amplitude, frequency and duration of the dynamic stresses are equivalent to the estimated screenwriting seismic impact or dynamic component of wind load.
The results were used in the drafting of pile-slab foundation with the influence of seismic and wind loads to change the stiffness of pile foundation and as a consequence on the redistribution of forces between the individual elements of the «foundation soil - foundation -overground part of the building».
Keywords: dynamic loading, triaxial compression, seismic load, wind load, deformation of soil, pile-slab foundation, pile foundation, stiffness, stress redistribution.
Reference list
1. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Prediction of deformation of the foundation with the long-term non-linear deformation of soil // Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, 2011, № 4. - P. 16-23.
2. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Sobolev Ye.S. Creep and vibrocreep of soils // Future directions of the theory and practice of rheology and soil mechanics: Proc.
XIV intern. symp. on the rheology of soils, 8-11 October 2014. - Kazan: Publishers KSUAE, 2014. - P. 8-23.
3. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Experimental and theoretical studies of bearing capacity and deformation of reinforced soil foundations under cyclic loading // Computer Methods and Recent Advances in Geomechanics: Proc. intern. symp., Kyoto, Japan, 22-25 September, 2014. - Lieden: Balkema. - P. 742-747.
4. Tanaka T., Yoshiyuki Mohri, Zhussupbekov A. Zh. Elasto-plastic and Viscoplastic Finite Element Analysis - Direct Shear Box Test and Dynamic Deformation of Reinforced Embankment Dam // Achievements, Problems and Perspective Directions of Development for the Theory and Practice of Soil Mechanics and Foundation Engineering Problems: Proc. XIII intern. symp. on the rheology of soils, Kazan, 24-27 April, 2012. -Kazan: Publishers KSUAE. - P. 18-26.
5. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V., Ivanova O.A. Low-Cycle Endurance and Deformations of Clay Soils in the Course of Three-Axial Cyclic Loading // Zhilishchnoye stroitelstvo, 2012, № 9. - P. 6-8.
6. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Bearing capacity and deformation of the base of deep foundations' ground bases // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proc. intern. symp., Seoul, Korea, 25-27 August, 2014. - Lieden: Balkema. -P. 401-404.
7. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Designed model of long nonlinear deformation of clay soil in a complex stress state // News of the KSUAE, 2011, № 2 (16). - P. 121-128.
8. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clay soils during loading of regime // News of the KSUAE, 2012, № 4 (22). - P. 193-198.
9. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clayey soils under cyclic triaxial compression // International Journal of Geotechnics, 2010, № 6. - P. 64-67.
