CC BY
1
29. Understanding the behavior of kaolinite at high pressure using infrared spectroscopy and quantum mechanical calculations / M.D. Welch, W. Montgomery, E. Balan, P. Lurch // Physics and Chemistry of Minerals, 2012. Volume 39. pp. 143-151.
30. Alvanyan K.A., Andrianov A.V., Selezneva Yu.N. Laws of changing the granu-lometric composition of bentonite clay of the Zyransky deposit activated by pressure // Bulletin of the Perm University. The series "Geology". 2020. Vol. 19. No. 4. pp. 380-387.
31. Shakhvan T., Erten H.N., Unugur S. Investigation of characteristics of some aspects of adsorption of aqueous CO2+ ions on natural bentonite clay // Journal of Colloid and Interface Science. 2006. Vol. 300. No. 2. pp. 447-452.
УДК 624.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС «ОСНОВАНИЕ - ФУНДАМЕНТ -ПОДЗЕМНАЯ ЧАСТЬ» ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СПОРТИВНО-КОНЦЕРТНОГО КОМПЛЕКСА
Д.Л. Негурица, Г.В. Алексеев, Е.А. Медведев, А.А. Терешин
Исследуются геомеханические процессы при строительстве объекта повышенного уровня ответственности - спортивно-концертного комплекса с подземной частью - в сложных горно-геологических условиях на свайном основании, выполняемом с целью обеспечения нормативных требований по ограничению абсолютных и относительных деформаций основания. Задача работы направлена на оценку влияния строительства на окружающий грунтово-породный массив и попадающие в зону влияния сооружения.
Ключевые слова: научно-техническое сопровождение строительства, грунто-во-породный массив, напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование.
В процессе проектирования, строительства проведения научно-технического сопровождения строительства при строительстве уникальных зданий и сооружений результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «Основание - фундамент - подземная часть» спортивно-концертного комплекса с подземной частью используются для определения зоны влияния нового строительства, проектирования и корректировки проектных решений, контроля хода строительства и мониторинга деформационных процессов в процессе научно-технического сопровождения строительства [1 - 4].
Работы по численному моделированию НДС являются составными частями комплекса работ по научно-техническому сопровождению проектирования объекта, учитывая, что он относится к повышенному уровню ответственности в соответствии с ГОСТ 27751-2014 [5 - 7].
Многофункциональный спортивно-зрелищный комплекс предназначен для проведения соревнований, в том числе международного уровня,
по хоккею, следж-хоккею, фигурному катанию, проведению тренировочного процесса и всесторонней подготовки спортсменов проведению массовых выставочных, зрелищных и культурно-развлекательных мероприятий. Архитектурная высота комплекса - 50,5 м, включая подземную часть - 2 этажа и наземную часть - 7 этажей.
Здание отдельно стоящее, семиэтажное с двумя подземными этажами, круглой формы в плане, габариты здания в осях 282,0*246,0 м, разделенное деформационными швами на 14 секторов. Поскольку конструкции покрытия имеют пролет 113,5 м, объект относится к уникальным и согласно Федерального закона №384-Ф3 уровень ответственности этого сооружения повышенный. Конструктивная схема здания - каркас-но-стеновая с несущими монолитными железобетонными колоннами и стенами. Большепролетное покрытие представляет собой пространственную стержневую систему со связями из труб круглого сечения.
Геометрическая неизменяемость конструкций большепролетного покрытия обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных связей.
Фундаменты - свайные. Сваи в секторах 1 - 3 и 10 - 14 забивные железобетонные, сечением 400*400 мм, в секторах 4 - 9 - забивные, погружаемые в предварительно пробуренные лидерные скважины, диаметром 400 мм с заглублением концов свай не менее 1 м ниже забоя скважины.
Применение разных типов свай обусловлено наличием гравелистых грунтов, затрудняющих погружение забивных свай, уплотнением массива грунта в процессе погружения забивных свай, наличием существующих свай реконструируемого здания. Сваи объединены монолитными железобетонными ростверками в каждом секторе. Сопряжение сваи и ростверка жесткое. Максимальная расчетная нагрузка на сваю составляет 150 тс.
В геологическом разрезе находятся грунты текучей и текучепла-стичной консистенции, поэтому под бетонной подготовкой предусмотрено основание из слоя гранитного щебня толщиной 300 мм, вдавленного на 100 мм в грунт.
Деформационные швы между секторами 4 - 9 - шириной 100 мм, между секторами 1 - 3, 10 - 14 - шириной 50 мм с заполнением экструди-рованным пенополистиролом. Таким образом, обеспечивается снижение усилий в сваях стилобатной части за счет включения в работу свай высотной части. При этом возможность независимых вертикальных перемещений ростверков сохраняется. Объект и его основание должны рассматриваться в единстве с учетом взаимодействия сооружения с основанием. Для совместного расчета системы «Основание-фундамент-подземная часть» используется метод конечных элементов. Моделирование проводится в пространственной постановке с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D» (рис. 1).
При построении модели назначались следующие граничные условия по закреплениям:
- на поверхности расчетной области - свободное перемещение узлов по всем направлениям;
- на боковых границах расчетной области - свободное перемещение в вертикальном направлении (вдоль оси X) и скольжение вдоль грани;
- на подошве расчетной области - запрет перемещений во всех направлениях.
Рис. 1. Расчетная схема
В расчетах учтены упругопластические свойства грунтов, неравномерное напластование в плане и по глубине, природное напряженно-деформированное состояние и его изменение в процессе строительства [8]. Также учтена этапность строительства. Совместность деформаций надземной части и фундаментов осуществляется путем пересчета податливости свай в несколько итераций с обновлением нагрузок от надземной части на каждом шаге [9].
Выбор габаритов модели по глубине осуществлен с учетом требований СП 22.13330.2016 [10] по назначению нижней границы глубины сжимаемой толщи. При давлении от высоконагруженных частей р=300 кПа, граница сжимаемой толщи будет находиться на глубине, где вертикальное напряжение от собственного веса грунта будет составлять ст2ё=600 кПа. Учитывая, что грунты основания условного фундамента ИГЭ-8, 9 являются водоупором, усредненный удельный вес грунтов, залегающих выше подошвы условного фундамента принят 20,0 кН/м3. Установлено, что граница глубины сжимаемой толщи будет залегать ориентировочно на глубине 600/20=30,0 м от поверхности существующей планировки. Таким образом, для большей части свай условие соотношения напряжений будет выполняться на уровне подошвы условного фундамента.
В связи с тем, что значительная часть свай погружается ниже отм. -24,000 (до -28,000), отметка низа модели принята -38,000 (в абсолютных отметках), что на 10,0 м глубже отметки низа самых глубоких свай согласно требований СП 22.13330.2016 [10].
В соответствии с СП 22.13330.2016 [10] расчет производился на основное сочетание нагрузок, при этом нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки, принимались длительными. Коэффициент надежности по нагрузке /{= 1,0. Коэффициент надежности по ответственности ;кп=1,2.
При моделировании НДС системы «Основание - фундамент - подземная часть» целесообразно рассмотрение фундамента Объекта как свайного с плитным ростверком (рис. 2, 3).
Рис. 2. Схема плитных ростверков и свайного основания
Учитывая залегание непосредственно под подошвами ростверков слабых грунтов (суглинки ленточные текучие и текучепластичные, Е=4^7 МПа), эффект плитно-свайного фундамента в данных инженерно-геологических условиях проявиться не может. По опыту совместных расчетов сооружения и основания для объектов-аналогов в сопоставимых инженерно-геологических условиях доля нагрузки, передаваемой на основание по подошве плитного ростверка, не превышает 5...7 %, что в рамках рассматриваемой задачи можно признать несущественным.
Для количественной оценки влияния упругого отпора грунта выполнена моделирование элементарной ячейки. В результате моделирования определено, что доля нагрузки, воспринимаемая подошвой плитного ростверка, не превышает 4%. Поскольку фундаменты рассматриваются как свайные, между плитным ростверком и грунтом в расчетной модели был оставлен зазор.
Рис. 3. Изополя распределения длин свай, совмещенные с кровлей опорного слоя
Сваи моделировались специальными элементами «Embedded beam» (Погруженная балка). Взаимодействие между сваей (элемент погруженная балка) и окружающим грунтом (грунтовый кластерный элемент) моделируется с помощью специальных интерфейсных элементов. Для описания поведения используется упругопластическая модель. Для сопротивления на боковой поверхности, а также для сопротивления под концом используется критерий разрушения, чтобы различать упругое и пластическое поведение интерфейса. При упругом поведении в перемещение между сваей/анкерным болтом и грунтом/скалой имеют место относительно небольшие различия перемещений, при пластическом поведении может произойти постоянное скольжение.
Чтобы интерфейсу оставаться упругим, сдвиговая сила ts в точке задается условием: |ts| < Tmax, где Tmax является эквивалентным частным сопротивлением на боковой поверхности в этой точке. Для пластического поведения сдвиговая сила ts задается условием: |ts| = Tmax.
Сопротивление ствола задается посредством задания осевого сопротивления на боковой поверхности Fskin и сопротивления под пятой Fmax. Используя этот подход, полная несущая способность сваи задается условием
N.
pile
F + F
max skin
(1)
Соединение элементов свай с объемными элементами фундаментной плиты моделировалось как жесткое (Rigid), то есть перемещение точки соединения сваи напрямую связано с перемещением того элемента грунта и/или конструкции, в котором она находится.
Для моделирования механического поведения конструкций частей проектируемого комплекса и инженерно-геологических элементов при изменении их напряженно-деформированного состояния, были использованы следующие математические модели:
- упругая модель;
- линейно-упругая идеально-пластическая модель Мора-Кулона (Mohr-Coulomb или MC);
- упругопластическая модель с упрочнением (Hardening soil или
HS).
Упругая модель использовалась для описания работы конструкционных материалов (бетон) элементов конструкций.
Модуль упругости бетона свай был принят Е = Еь,т при продолжительном действии нагрузки по формуле СП 63.13330.2018 [Н.10]
Eb т = = 32500 = 12500МПа, (2)
ЬТ 1 + %,cr 1 + 1,6 ' W
где (ръ,сг = 1,6 - коэффициент ползучести бетона, для бетона класса В30, при относительной влажности воздуха окружающей среды >75%, принимаемый согласно СП 63.13330.2018 [11]; Eb=32500 МП - начальный модуль упругости бетона при сжатии, для бетона В30, согласно СП 63.13330.2018 [11].
Применение модели MC целесообразно для общего представления поведения грунтов при численном моделировании рассматриваемой системы в первом приближении. Поскольку каждый слой грунтового массива обладает постоянной средней жесткостью, расчеты, как правило, выполняются относительно быстро, с возможностью получения первого представления о деформациях массива.
Модель HS («усовершенствованная») представляет собой упруго-пластическую разновидность гиперболической модели, описывающую пластичность грунтов при их упрочнении при сдвиге. Кроме того, она учитывает упрочнение грунта при сжатии, что позволяет моделировать необратимое уплотнение грунта в условиях первичного сжатия.
Основной особенностью модели HS является зависимость жесткости грунта от напряжений, а также возможность различать жесткость грунта при нагрузке и жесткость при разгрузке. Широко применяется для моделирования поведения песков, гравия, а также более мягких грунтов, таких как глины, илы, торфы.
Основные характеристики модели Мора-Кулона (Mohr-Coulomb
model):
- параметры разрушения: с - эффективное сцепление, р - эффективный угол внутреннего трения, у- угол дилатансии;
- основные параметры сжимаемости грунта: Е - модуль деформации.
Основные характеристики модели упрочняющегося грунта (Hard-ening-Soil model):
- параметры разрушения: с - эффективное сцепление, ( - эффективный угол внутреннего трения, у- угол дилатансии.
- основные параметры сжимаемости грунта: E5rf - секущий модуль в стандартных дренированных трехосных испытаниях, Eroefd - касательный модуль при первичном компрессионном сжатии, m - показатель для зависимости уровня напряжений от модуля деформации.
- дополнительные параметры для HS: Eruf - модуль при разгрузке/повторном нагружении, рref - начальное напряжение для модулей в кПа, КП - коэффициент бокового давления при нормальном уплотнении (по умолчанию К^ = 1 — sivp).
Необходимые параметры модели MC приняты согласно физико-механических характеристик грунтов по результатам инженерно-геологических изысканий.
Необходимые параметры модели HS определены по результатам рассмотрения и анализа протоколов лабораторных испытаний грунтов. Достоверность принятых параметров грунтов основания была подтверждена моделированием лабораторных испытаний в подпрограмме SoilTest. При назначении параметров грунтов и анализе лабораторных испытаний оценка достоверности проводилась для интервалов напряжений, характерных рассматриваемым ИГЭ (рис.4).
Адекватность геомеханической модели грунтового основания была оценена путем сравнения результатов моделирования осадки одиночной сваи с данными испытаний грунтов сваями. Прочностные характеристики грунтов в моделях назначались при доверительной вероятности 0,85. Прочность интерфейсных элементов на контакте свая-грунт принималась в соответствии СП 24.13330.2011 [11] и корректировалась по результатам моделирования испытаний грунтов сваями.
а
б
Рис. 4. Сечение А-А КЭ-модели массива грунта вдоль оси Х (а), фрагмент сечения по сектору 4 (б), вмещающего в себя ростверк и забивные сваи с погружением
При выполнении расчетов оснований подземных частей сооружений следует учитывать конструктивную нелинейность, связанную с изменением расчетной схемы в процессе строительства, технологические особенности возведения и последовательность строительных операций.
Моделирование НДС системы «Основание - фундамент -подземная часть» и анализ результатов проводились с учетом технологии производства работ и исходного НДС массива грунта. При проведении расчетов учитываются только статические воздействия. Динамические и температурные воздействия не учитываются, как и сезонное колебание горизонта грунтовых вод.
В работе проведены расчеты по двум моделям грунтового основания: линейно-упругая идеально-пластическая модель Кулона-Мора (MohrCoulomb или MC) и упругопластическая модель с упрочнением (Hardening soil или HS). Выполнена оценка и сравнительный анализ результатов расчетов по двум моделям, а также сопоставление полученных результатов с
результатами геотехнического обоснования, которые были приняты для проектирования свайного основания.
Геомеханические расчеты НДС рассматриваемой системы были успешно завершены, следовательно, после приложения всех нагрузок от конструкций на основание, массив грунта находится в допредельном состоянии, то есть зоны пластического течения грунта под фундаментом здания замкнутые и потери несущей способности по грунту не происходит. Устойчивость рассматриваемого комплекса обеспечена.
Анализ результатов расчета НДС системы выполнялся по каждому этапу моделирования, приведенному в таблице.
Этапы математического моделирования строительства Объекта
№ Описание этапа
0 Загружение расчетной области собственным весом грунта и определение начального напряженно-деформированного состояния грунтового массива.
1 Обнуление перемещений. Моделирование откопки котлована.
2 Устройство свайного основания.
3 Обнуление перемещений. Моделирование ростверков, обратной засыпки пазух котлована и приложение нагрузок от верхнего строения.
Результаты расчетов представлены на завершающем этапе моделирования в графическом виде (рис. 5 - 8). Жесткость свай определялась как отношение усилий в оголовке свай к их осадке.
ТоЫ <1 лр1»сете111а и; (гаЫ и?540И|ш)
МмАпл) - -0,01021 ГГ- (Бета* 7511Л НоА: *13456>
Рис. 5. Изополя осадок плитных ростверков при расчете по модели ИЗ
г*-»*
ТоЫ сЫзрЬсетепЬ и{ {каМ ир 200 Нтв)
Нллтит V,*« - -ДОДО т СЕ**™* иЛ
_Г^кпчгпу^ - шт _
Рис. 6. Изополя осадок плитных ростверков при расчете по модели МС
[-»••н
То1а1сПхрГлсетепЬ иИ (»М ир 500 От«)
Майтит уа1ие - 0,0217» т (Ветел» ЗЗЯЗ а* Г*х1е 1140)
ЩГЙП^ - -ми» «п гаепти г?т а
Рис. 7. Изополя деформаций их плитных ростверков
Total displacements uy (sealed up 500 times)
Maximum value - 0,0206$ m (Element 1 at Node 2026) _Minimum vafa* - -0.02064 m (Bemu* 51333 at Hoda 1S121_
Рис. 8. Изополя деформаций Uy плитных ростверков
Таким образом, по результатам расчетов деформаций фундаментов плитных ростверков, при расчете по упругопластической модели с упрочнением (HS) максимальные прогнозные осадки ростверков составили до 57 мм, а максимальные прогнозные осадки ростверков по линейно-упругой идеально-пластической модели (MC) составили до 92 мм, что вполне объяснимо ввиду особенностей модели. Характер распределения изополей осадок по модели MC и модели HS достаточно близок (рис. 5, 6). При расчете по линейно-упругой идеально-пластической модели значения средней осадки по секторам составляют 2,8 - 5,6 см, относительной разности осадок 0,0005...0,0017. Значения жесткостей свай Kz, характеризующие жесткость основания, варьируются в диапазоне от 702 до 42000 кН/м. В случае расчетов по модели HS значения средней осадки по секторам составляют 1,3 - 4,0 см, относительной разности осадок 0,0004-0,0014. Значения жест-костей свай Kz, характеризующие жесткость основания, варьируются в диапазоне от 10000 до 80000 кН/м.
Сопоставление результатов расчетов основания по второму предельному состоянию с применением линейно-упругой идеально-пластической модели или упругопластической модели с упрочнением для описания напряженно-деформированного состояния грунтов основания показало завышение прогнозируемых значений деформаций плитных ро-
стверков: средняя осадка, относительная разность осадок при использовании модели MC относительно модели HS.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 075-152021-686). Испытания проводились с использованием исследовательского оборудования Головного регионального совместного исследовательского центра Московского государственного инженерно-строительного университета.
Список литературы
1. Underground Engineering for Sustainable Urban Development / Magsin, Sammantha L. [and others] // Geo-Congress Technical Papers: Geo-Characterization and Modeling for Sustainability. 2014. Pp. 3861-3870. 10.1061/9780784413272.374.
2. Меркин В.Е., Конюхов Д.С. Основные проблемы, задачи и перспективы освоения подземного пространства Москвы // Метро и тоннели. 2017. № 1- 2. С. 18-23.
3. Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Состояние и проблемы освоения подземного пространства города Москвы // Маркшейдерский вестник. 2007. № 4 (62). С. 27-30.
4. Hongjun W. Earth human settlement ecosystem and underground space research // Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. Р. 765-781. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.774.
5. ГОСТ Р 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования.
6. Глозман О.С. Подземное планирование Москвы // Жилищное строительство. 2016. №11. С. 14-19.
7. Геомеханическое обеспечение строительства многофункционального центра в условиях мегаполиса / Д.Л. Негурица, Г.В. Алексеев, Е.А. Медведев, А.А. Терешин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 3. С. 286-296. DOI: 10.46689/2218-5194-2021-3-1 -280-290.
8. Deformation Processes Modelling throughout Underground Construction Within Megapolis Limits / D.L. Neguritsa [and others] // Springer Geology. Processes in GeoMedia-Volume IV. 2022. P. 215-227. DOI: 10.1007/978-3-030-76328-2_23.
9. Дмитриев С. В. Решение упругой задачи методом конечных элементов. Визуализация тензора напряжений // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. №. 7. С. 222-227.
10. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений.
11. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты.
Негурица Дмитрий Леонидович, канд. техн. наук, доц., neguritsadl@,mgri.ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»,
Алексеев Герман Валерьевич, канд. техн. наук, директор, AlexeevG Vamgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»,
Медведев Евгений Андреевич, зам. директора, гл. инженер, MedvedevEA amgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»,
Терешин Александр Александрович, канд. техн. наук, доц., нач. научно-технического центра, TereshinAA amgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»
MODELING OF THE STRESS-STRAIN STATE "BASE-FOUNDATION-UNDERGROUND PART" DURING THE CONSTRUCTION OF A SPORTS AND CONCERT COMPLEX
D. L. Neguritsa, G. V. Alekseev, E. A. Medvedev, A. A. Tereshin
The purpose of the work is to study geomechanicalprocesses during the construction of an object of increased responsibility - a sports and concert complex with an underground part in difficult mining and geological conditions on a pile foundation, carried out in order to meet regulatory requirements for limiting absolute and relative deformations of the foundation. The objective of the work is aimed at assessing the impact of construction on the surrounding soil and rock massif and structures falling within the zone of influence.
Key words: scientific and technical support of construction, soil and rock mass, stress-strain state, mathematical modeling.
Neguritsa Dmitry Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research «Moscow State University of Civil Engineering»,
Alekseev German Valerievich, candidate of technical sciences, director, Alexeev [email protected], Russia, Moscow, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research «Moscow State University of Civil Engineering»,
Medvedev Evgeny Andreevich, deputy director for project management-chief engineer, MedvedevEAamgsu.ru, Russia, Moscow, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research «Moscow State University of Civil Engineering»,
Tereshin Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of the scientific and technical center, TereshinAAamgsu.ru, Russia, Moscow, Institute of Scientific
and Technical Support of Construction; National Research «Moscow State University of Civil Engineering»
Reference
1. Underground Engineering for Sustainable Urban Development / Magsin, Sammantha L. [and others] // Geo-Congress Technical Papers: Geo-Characterization and Modeling for Sustainability. 2014. Pp. 3861-3870. 10.1061/9780784413272.374.
2. Merkin V.E., Konyukhov D.S. The main problems, tasks and prospects of the development of the underground space of Moscow // Metro and ton-nels. 2017. No. 1-2. pp. 1823.
3. Trubetskoy K.N., Iofis M.A. The state and problems of development of the underground space of the city of Moscow // Surveying Bulletin. 2007. No. 4 (62). pp. 27-30.
4. Hongjun W. Earth human settlement ecosystem and underground space research // Procedural Engineering. 2016. Vol. 165. pp. 765-781. DOI: 10.1016/J.proeng.2016.11.774.
5. GOST R 27751-2014. Reliability of building structures and foundations. The main provisions and requirements.
6. Glozman O.S. Underground planning of Moscow // Housing construction. 2016. No.11. pp. 14-19.
7. Geomechanical support for the construction of a multifunctional center in a megalopolis / D.L. Neguritsa, G.V. Alekseev, E.A. Medvedev, A.A. Tereshin // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2021. Issue 3. pp. 286-296. DOI: 10.46689/2218-51942021-3-1-280-290.
8. Deformation Processes Modeling throughout Underground Construction Within Megapolis Limits / D.L. Neguritsa [and others] // Springer Geology. Processes in GeoMedia-Volume IV. 2022. P. 215-227. DOI: 10.1007/978-3-030-76328-2_23.
9. Dmitriev S. V. Solution of the elastic problem by the finite element method. Visualization of the stress tensor // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. No. 7. pp. 222-227.
10. SP 22.13330.2016. Foundations of buildings and structures.
11. SP 24.13330.2011. Pile foundations.
