CC BY
45
УДК 624.131 Кудрявцев Сергей Анатольевич,
д. т. н., профессор кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты», ДВГУПС,
тел. (4212)407591, e-mail: kudr@festu.khv.ru Склярова Ксения Михайловна, аспирант кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты», ДВГУПС,
тел. (4212)407591, e-mail: kseniya_skl@mail.ru
НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ НА ПЛИТНОМ ФУНДАМЕНТЕ В Г. ХАБАРОВСКЕ
S.A. Kudryavtsev, K.M. Sklyarova
FIELD OBSERVATION AND NUMERICAL MODELING OF THE CONSTRUCTION OF THE HIGH-RISE BUILDING ON THE SLAB FOUNDATION IN KHABAROVSK CITY
Аннотация. В статье приведены результаты геотехнического расчетного пространственного обоснования напряженно-деформированного состояния системы «основание - плитный фундамент - надземные конструкции» и геодезического мониторинга высотного здания в г. Хабаровске. Оценка напряженно-деформированного состояния проводилась численным моделированием методом конечных элементов. Данные геотехнических расчетов оценивались в сравнении с результатами геодезического мониторинга.
Ключевые слова: плитный фундамент, высотное здание, численное моделирование, геодезический мониторинг.
Abstract. In the article the results of geotech-nical calculation spatial ground of the tense-deformed state of the systems «base - foundation - above-ground constructions» and geodesic monitoring of the high-rise building in Khabarovsk are given. Estimation of the tense-deformed state was conducted with the use of the numeral modeling of finite-elements method. The data of geotechnical calculations were estimated in comparison with the results of the geodesic monitoring.
Keywords: slab foundation, high-rise building, numerical modeling, geodetic monitoring.
Введение
При проектировании высотных зданий основные трудности возникают при оценке деформаций оснований и перераспределении возникающих напряжений за счет изменения жесткости фундаментов и подземной части сооружения. Высотные здания вовлекают в работу большие массивы грунтов, которые в большинстве случаев обладают существенной неоднородностью в плане и
по глубине. В зависимости от напластования грунтов основания осадки высотных зданий стабилизируются в разный период времени в зависимости от их типа. Оценка параметров напряженно -деформированного состояния возможна на основании совместных геотехнических пространственных расчётов системы «основание - фундамент -наземное сооружение». Эти расчеты позволяют учитывать основные факторы, влияющие на надежность зданий и сооружений: напластование грунтов; объемно-планировочные и конструктивные решения возводимого здания; пространственную совместную работу грунтов основания и надземной конструкции с учётом физической нелинейности; влияние жёсткости надземных конструкций здания (железобетонного каркаса) на перераспределение неравномерности деформаций основания и др.
Для возведения высотных зданий требуется выполнение двух основных мероприятий, которые обеспечивают безопасность при проектировании, строительстве и эксплуатации: численное моделирование различных вариантов системы «основание - фундамент - надземные конструкции» с учетом прогрессирующего разрушения и геотехнический мониторинг в процессе строительства и эксплуатации. Выполнение данных мероприятий позволяет избежать проектных ошибок, а также производить соответствующую корректировку, изменение или адаптацию проектных и производственных решений [1].
Грунты и горные породы в пределах г. Хабаровска можно разделить на поверхностные отложения и скальные породы коренной основы [2]. Для снижения и выравнивания деформаций на таких основаниях под плитными фундаментами це-
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
лесообразно устройство щебеночной подушки, которая является грунтовой конструкцией для перераспределения неравномерности деформаций основания в пределах фундаментной плиты и первых 4-6 этажей здания.
Применение пространственных моделей в численном моделировании зданий и сооружений, составляемых на основании метода конечных элементов, получают в настоящее время всё большее распространение. Наиболее точные результаты получаются при совместных расчётах «основание - плитный фундамент - надземные конструкции».
1. Теоретические основы нелинейных моделей, применяемых в численном моделировании системы «основание - фундамент - надземные конструкции»
В большинстве своем для расчета осадок зданий используются численные методы, которые основаны на соотношениях теории упругости и пластичности. К таким методам относятся методы линейно-деформируемого слоя и послойного суммирования. При моделировании грунта бесконечным упругим полупространством деформации, возникающие в грунте, распространяются на значительную глубину, что противоречит экспериментальным данным, и имеют широкую воронку оседания. Для того чтобы приблизить получаемые результаты расчетов к эмпирическим, в методы, основанные на соотношениях теории упругости, вводят ограничения глубины сжимаемой толщи. Приближенный характер исходных предположений, заложенных в эти методы, приводит к низкой точности вычисляемых величин осадок. В Хабаровске существует большое количество зданий, наблюдаемые осадки которых во много раз превышают рассчитанные по действующим нормам. Методы расчета осадок и правила ограничения сжимаемой толщи разработаны для фундаментов на естественном основании.
Для более точного расчета деформации основания необходимо использовать модели, учитывающие нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями. В простейших упруго-пластических моделях в расчет дополнительно вводятся прочностные характеристики грунтов. Эти модели позволяют учесть нелинейный характер деформирования основания при увеличении нагрузки. Критерий предельного состояния в этом случае представлен в виде некоторой поверхности в пространстве главных напряжений, ограничивающей области возможных напряжений для данного материала. В механике грунтов наиболее часто используется предельная поверхность, определяемая критерием Мора - Кулона (рис. 1) [3].
Рис. 1. Предельная поверхность, определяемая критерием Мора - Кулона
Критерий Мора - Кулона отражает увеличение сопротивления сдвигу при увеличении гидростатического давления:
т - с--1-= 0,
2
где т - сопротивление грунта сдвигу; с - сцепление; ф - угол внутреннего трения; (01 + о2)/2 -среднее напряжение.
В качестве входных параметров данной модели используются такие характеристики грунтов как сцепление, угол внутреннего трения, модуль деформации, коэффициент Пуассона, удельный вес грунта, а при глубоких котлованах - коэффициент разгрузки основания.
Достоинством данной модели является использование традиционных параметров, получаемых в инженерно-геологических изысканиях.
2. Геотехническое моделирование деформаций и напряжений в основании высотного дома в г. Хабаровске
Нами было проведёно геотехническое обоснование на этапах проектирования и строительства многоквартирного жилого дома в г. Хабаровске путем численного моделирования деформаций и напряжений, возникающих в системе «основание - плитный фундамент - надземные конструкции» высотного здания методом конечных элементов.
Высотное здание переменной этажности, сложной конфигурации в плане расположено на береговом склоне р. Амур (рис. 2).
Здание имеет железобетонный монолитный безригельный каркас, рамно-связевую конструктивную схему. Прочность, устойчивость и пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой перекрытий, колонн, продольных и поперечных диафрагм жесткости. Фун-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
даментом здания является сплошная монолитная железобетонная плита толщиной 1 м.
Рис. 2. Расчётная схема высотного дома в г. Хабаровске
В геоморфологическом отношении площадка расположена в пределах Хабаровских высот, на пологом склоне увала северо-западной экспозиции. Природный микрорельеф изменен в период строительства зданий и благоустройства территории. Поверхность спланирована. Уклон поверхности площадки на северо-запад. Площадка пересечена подземными коммуникациями (водопровод, газопровод, теплотрасса, канализационный коллектор). Абсолютные отметки поверхности составляют 64,7-68,5 м Балтийской системы.
Геолого-литологический разрез в сфере взаимодействия проектируемого сооружения с геологической средой в интервале глубин 0-26 м является неоднородным; в разрезе выделено 6 инженерно-геологических элементов (насыпной грунт, почвенно-растительный слой, суглинок твердый, суглинок полутвёрдый, суглинок твердый дресвяный, дресвяный грунт с суглинистым и супесчаным твердым заполнителем до 45 %).
В период изысканий на площадке были обнаружены подземные воды техногенного водо-
носного горизонта на глубине 1,0-1,4 м и водоносного горизонта терригенных отложений на глубине 2,10-15,5 м. Но в дождливое время года вероятно появление верховодки в тех местах, где в период работ она отсутствовала. Для равномерного распределения напряжений, под плитным фундаментом была устроена щебеночная подушка мощностью 5 м (рис. 3).
Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «основание - фундамент - надземные конструкции» высотных зданий выполнялось методом конечных элементов с использованием программного комплекса «FEM Models», разработанного сотрудниками ООО «ПИ «Геореконструкция» под руководством профессора В.М. Улицкого в г. Санкт-Петербурге. Данная геотехнология позволяет рассчитывать в техмер-ном пространстве систему «основание - фундамент - надземные конструкции» на этапах пред-проектных разработок, в процессе строительства и эксплуатации с конструктивными мероприятиями, позволяющими повышать их надежность [4].
В расчетах использовалась упругопластиче-ская модель грунта основания в виде объемных элементов с критерием прочности Мора - Кулона и равнообъемным законом течения. В расчете было принято: стены, перекрытия, фундаментная плита - упругие элементы пластины, колонны -упругие стержни. При решении численных задач напряженно-деформированного состояния 25-этажного здания были выполнены поверочные и аналитические расчеты геотехнической ситуации.
Для определения веса здания была составлена пространственная схема здания. Для исключения некоторых степеней свободы системы фундаментная плита была закреплена от перемещений.
Вес 25-этажного здания составил по расчету 321285 кН, он равен сумме сил реакций в расчетной схеме.
При определении нижней границы сжимае-
Рис. 3. Геологический разрез площадки строительства
мой толщи для проведения поверочного расчета осадки плитного фундамента 25-этажного здания был выполнен аналитический расчет. Расчет осадок выполнен согласно СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*» методом послойного суммирования в программе MathCAD для 25-этажного здания на плитном фундаменте. Давление по подошве плитного фундамента составляет Р = 280 кПа, что меньше расчетного сопротивления грунта по подошве фундамента Я = 409 кПа. В соответствии с данным расчетом, ожидаемая максимальная осадка здания составляет 9 см, а глубина сжимаемой толщи составила Нс = 26,5 м.
Так как численное моделирование системы производится по критерию Мора - Кулона, то глубина сжимаемой толщи будет являться нижней границей расчетной схемы при численном моделировании, это необходимо для приближения расчетных значений к эмпирическим.
На рис. 4 приведены изолинии осадок фундаментной плиты проектируемого здания.
Рис. 4. Изолинии осадки фундаментной плиты
Изолинии вертикальных напряжений основания от веса фундамента и наземных конструкций приведены на рис. 5.
3. Геодезический мониторинг деформаций основания фундамента высотного здания в г. Хабаровске
Основной целью геодезического мониторинга является выявление и предотвращение необратимых процессов в грунтовых основаниях, а также деформаций зданий. В нашем случае мы производили наблюдение за высотным зданием переменной этажности, сложной конфигурации в плане на стадии строительства и эксплуатации здания [5].
Перед началом измерений вертикальных перемещений фундаментов были установлены реперы и деформационные марки, постоянные на весь период наблюдений. В качестве опорных приняты реперы РП4 (65,870 м) и РП5 (64,531 м), расположенные вне строительной площадки. 31 осадочная марка расположена по периметру здания в плите перекрытия. Расстояние между марками не превышает 10 м. Для защиты от механических воздействий предусмотрен защитный экран из швеллера № 70.
Анализу подверглись 10 геодезических марок. Схема расположения осадочных марок в плане здания приведена на рис. 6.
5
Анализ осадок фундаментной плиты показал, что деформации в основании равномерные и составляют 0,07-0,087 м. Эти значения меньше предельно допустимой величины, равной Би = 0,2 м для жесткой конструктивной схемы здания.
Рис. 5. Изолинии вертикальных напряжений основания от внешней нагрузки
Рис. 6. Схема расстановки марок на объекте
При организации измерений осадок применяется метод геометрического нивелирования II класса. Применяемый нивелир SDL30M в комплекте с фиберглассовыми рейками с RAB-кодом обеспечивает среднюю квадратическую погрешность измерения не более 0,6 мм на 1 км двойного хода.
В соответствии с техническим заданием, наблюдения производились с июня 2008 г. по де-
кабрь 2010 г., всего было проведено 23 цикла наблюдений.
Для передачи отметки с исходного репера разработана схема измерительных ходов. Основное условие принятой схемы ходов - нивелирование в двух горизонтах прибора, в прямом и обратном направлении. Нивелир устанавливается таким образом, чтобы обеспечить примерное равенство расстояний между наблюдаемыми точками. Длина визирного луча допускается до 40 м [6].
Результатом измерений является сводная таблица отметок осадочных марок в каждом цикле измерения и накопленные осадки. Кроме того, предусматривается построение графика осадок по циклам измерения.
График накопления осадок анализируемых марок за период с июня 2008 года по декабрь 2010 года приведен на рис. 7.
Заключение
По результатам геотехнического обоснования и геодезического мониторинга можно сделать следующие выводы:
1. Распределение осадки равномерное. Максимальная осадка в результате численного моделирования составила 87 мм, а по результатам геодезического мониторинга за период 880 дней составила 78 мм.
Величина осадок возведенного здания на декабрь 2010 г. не превышает предельно допустимой величины равной Su = 200 мм. Крен здания незначительный и не превышает предельного значения, равного ¡и = 0,004.
2. Вертикальные напряжения в основании фундамента 25-этажного здания распределяются относительно равномерно. Максимальные напря-
жения составляют 280 кПа, что не превышает расчетного сопротивления грунта основания R = 409 кПа.
3. Инженерные и численные расчеты показывают, что при устройстве фундаментной плиты толщиной 1 м на щебеночной подушке толщиной 5 м деформация здания находится в пределах допустимых значений согласно СП 22.13330.2011 [7].
4. Марки 7, 9 за период до июля 2008 г. практически никаких деформаций не испытывали, однако с июля 2008 г. по декабрь 2010 г. оседали с той же скоростью, что и остальные марки. Величина осадок этих марок за весь период наблюдений составила не более 45 мм со скоростью накопления деформаций около 0,051 мм/сутки.
5. Марки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 имеют одинаковый характер деформаций и практически одинаковую скорость накопления деформаций, около
0.079.мм/сутки.
Проведённые геотехническое обоснование и геодезический мониторинг показали адекватность численного моделирования в сравнении с натурными наблюдениями. Данная геотехнология позволяет проводить численное моделирование совместной работы высотных зданий на искусственных и естественных основаниях в инженерно -геологических условиях г. Хабаровска.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теличенко В., Король Е., Каган П., Комиссаров С., Арутюнов С. Конструктивные решения высотных зданий // Высотные здания Tall Buildings» URL: http://www.tallbuildings.ru/ build4_rus_04_08/ (Дата обращения: 04.08.2012)
2. Варнавский В.Г., Даммер А.Э., Тюрин И.М.,
Рис. 7. График накопления осадок (м) за период наблюдений
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
ш
3.
4.
Поздняков И.И., Подгорная Т.И. Геологическое строение и инженерно-геологические условия г. Хабаровска и его окрестностей. Хабаровск, 1991. С. 29-31.
Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Упруго-вязко-пластическая модель структурно-неустойчивого глинистого грунта // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2005. №9. С. 221-228
Кудрявцев С.А., Склярова К.М., Кажарский А.В. Анализ напряжённо-деформированного состояния оснований плитных фундаментов высотных зданий в инженерно-геологических
условиях г. Хабаровска. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2011.
5. Кудрявцев С. А., Шишкина К. М., Кажарский А. В. Исследование напряжённо-деформированного состояния основания и фундамента высотного здания в г. Хабаровске. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009.
6. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений. М. : Стройиздат, 1975.
7. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М. : Минрегион России, 2011.
УДК 519.673:629.7.083
Пахомов Сергей Васильевич,
к. т. н., доцент, доцент кафедры теоретической механики и приборостроения, ИрГУПС,
тел. 8-914-88-40-649, e-mail: psv1960@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА ВХОДЕ В ВОЗДУХОЗАБОРНИК САМОЛЕТА
S. V. Pakhomov
MODELING OF SPATIAL VORTEX FLOWS ENTERING THE VENTILATING AIR INTAKE OF A PLANE
Аннотация. На базе метода дискретных вихрей рассматривается методика математического моделирования вихревых течений воздушного потока на входе в воздухозаборник самолета. Раскрыта физика образования вихревого течения у поверхности аэродрома при работе силовой установки на земле. Приведены результаты распределения тангенциальной скорости потока и ее градиентов по поверхности аэродрома под воздухозаборником в поперечной и продольной плоскостях.
Ключевые слова: воздухозаборник, вихревые течения, тангенциальная скорость потока, градиент скорости потока.
Abstract. The methods of mathematical modeling of vortex flows on an air flow entering the ventilating air intake are observed on the basis of a method of discrete vortexes. Physical formation of a vortex flow at a surface of the airfield is performed during the functioning of the power plant on land. In this article the results of distribution of tangential flow velocity and its derivatives at a surface of the airfield are given.
Keywords: ventilating air intake, vortex flows, tangential velocity of a flow, derivative of a flow velocity.
Воздухозаборники (ВЗ) силовой установки (СУ) летательного аппарата (ЛА) являются генераторами и интеграторами процессов стокового течения и внешней завихренности воздушной среды, засасываемой работающими на аэродроме газотурбинными двигателями (ГТД). Активность этих процессов определена режимом работы ГТД по расходу воздуха, наличием подстилающей поверхности, компоновкой ЛА, высотой расположения ВЗ над аэродромом, направлением и силой ветра, суточным вращением Земли и другими факторами. Следовательно, работа ГТД на аэродроме сопровождается активным стоковым вихреобразо-ванием (ВО), влияющим на рабочий процесс СУ.
Вихри ВЗ изменяют предварительную закрутку воздуха на входе в осевой компрессор и способны вызвать помпаж ГТД с последующим снятием его с эксплуатации. Посторонние предметы (ПП) и пыль, засасываемые в проточную часть СУ, активно воздействуют на высоконагруженные рабочие лопатки двигателя и вызывают дефекты, связанные с деформацией, трещинами, забоинами и абразивным износом. При выходе их за пределы установленных допусков авиационный ГТД досрочно снимается с эксплуатации.
Экономические и финансовые потери, связанные с досрочным снятием двигателей с эксплуатации, - одна из причин, определяющих актуаль-
