CC BY
1СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2(25)
УДК 624.154.042:623.12
© Н. И. Горшков, А. Н. Волков, И. Ю. Белуцкий, М. А. Краснов, 2012
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СТАЛЬНЫХ СВАЙ-ОБОЛОЧЕК МКЭ
Горшков Н. И. - канд. тех. наук, доц. кафедры «Мосты, основания и фундаменты», e-mail: Fem_Soft@mail.ru (ТОГУ); Волков А. Н. - инженер, начальник технического отдела (ООО ХК «Амур-Мост»); Белуцкий И. Ю. - д-р тех. наук, проф., зав. кафедрой «Мосты, основания и фундаменты»; Краснов М. А. - специалист кафедры «Мосты, основания и фундаменты» (ТОГУ)
Целью работы является математическое моделирование взаимодействия элементов системы «стальная свая-оболочка - основание», разработка новых способов расчета этой системы на основе МКЭ.
The purpose of the work is the mathematical modeling of the interaction of the "still pile-shell - base" system elements and the development of new calculation means for the system with the finite element method.
Ключевые слова: метод конечного элемента (МКЭ), фундамент, свая, грунт, основание, несущая способность, поверхность скольжения (ПС).
Проблемы оснований фундаментов из стальных свай-оболочек
При строительстве мостовых переходов в районах распространения веч-номерзлых грунтов Сибири и Дальнего Востока всегда будут востребованы новые конструктивно-технологические решения, щадящие геокриологические условия мест их возведения и одновременно обеспечивающие сокращение сроков строительства.
Сжатые сроки строительства мостовых переходов вызывают необходимость применения конструкций фундаментов опор, состоящих из относительно недорогих, доступных в приобретении, многофункциональных несущих элементов, технология устройства которых, включает минимум «мокрых» процессов.
Таким требованиям наиболее полно отвечают безростверковые конструкции устоев и промежуточных опор, фундаменты которых выполняются из пустотелых стальных трубчатых элементов (свай-оболочек), способных охлаждать грунты основания за счёт конвективного теплообмена.
В качестве стальных свай-оболочек, являющихся одновременно несущими и технологическими элементами фундаментов опор, можно использовать
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2 (25)
стальные трубы, которые применяются при бурении скважин (обсадные трубы).
Основные преимущества стальных свай-оболочек, в сравнении с железобетонными - сравнительно небольшой вес (в 3 раза меньше при той же длине), большие прочность и жесткость, возможность погружения секциями любой длины на неограниченную глубину, удобства в доставке на объект.
Погружение стальных свай-оболочек производится на всю глубину скважины бурообсадным способом в процессе разработки грунта на ее забое турбобурами, станками ударно-канатного или вращательного действия. При обоснованной необходимости - ускорения погружения, используются вибропогружатели.
Соединение звеньев секций стальной сваи-оболочки при её погружении, осуществляется с помощью сварных соединений, герметичных и равнопрочных основному сечению сваи-оболочки, удовлетворяющих требованиям и указаниям соответствующих нормативных документов.
При погружении свай-оболочек в дисперсные грунты, содержащие твердые включения или проходке верхних частей слоев скальных и полускальных грунтов, её первая секция усиливается специальным ножом. Высокая прочность материала и небольшая площадь поперечного сечения стальной сваи-оболочки способствует проходке таких грунтов даже при ударно-канатном и вращательном бурении и использовании электрических вибропогружателей. Использование вибропогружателей при ударно-канатном и вращательном бурении целесообразно на последнем этапе проходки, при вхождении в несущий слой основания.
Защита от коррозии стальных свай-оболочек должна осуществляться с учётом положений и требований нормативного документа [1], и технологического регламента по противокоррозийной защите, разработанного с учётом климатических условий места строительства.
Как известно, проектирование свайных фундаментов опор мостов и других инженерных сооружений, выполняется по указаниям и требованиям СНиП 2.02.03-85* [2].
В этом документе, выделяют забивные стальные сваи и железобетонные сваи-оболочки, заглубляемые вибропогружателями без выемки или с частичной выемкой грунта и не заполняемые бетонной смесью (п. 2а); сваи-оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью (п. 2б).
Таким образом, этот нормативный документ не выделяет в отдельный вид свай - стальные пустотелые сваи-оболочки.
В целом, по методике этого документа, можно выполнять расчеты свайных фундаментов из стальных свай-оболочек.
Расчёт стальных свай-оболочек и их оснований для районов Сибири и Дальнего Востока должен быть выполнен по предельным состояниям согласно требованиям и указаниям нескольких действующих нормативных документов [2 - 4]:
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИИ -
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СТАЛЬНЫХ ШСШЖ ТСге 2012 № 2(25)
СВАЙ-ОБОЛОЧЕК МКЭ
1) первой группы:
• по прочности материала свай-оболочек;
• по несущей способности грунта основания свай-оболочек;
• по устойчивости свай-оболочек против действия сил морозного пучения;
2) второй группы:
• по перемещениям свай (горизонтальным ир, углам поворота головы сваи-оболочки щр) совместно с грунтом оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов.
В современной концепции проектирования сооружение и его основания должны рассматриваться в совместном взаимодействии. Для совместного расчета сооружения и основания в рамках модели системы «сооружение-основание» могут быть использованы аналитические, численные и другие методы.
Разработка методики проектирования и устройства конструкций фундаментов опор мостов из стальных свай-оболочек на территориях Сибири и Дальнего Востока, первый вариант которой, в виде методических рекомендаций, составлен заместителем главного инженера ООО ХК «Амур-Мост» (г. Тында) А.Н. Волковым, выполняется при участии сотрудников кафедры «Мосты, основания и фундаменты» ТОГУ.
Численное моделирование взаимодействия системы «свая-основание»
Разработка методики решения прикладных задач транспортного строительства, связанных с моделированием взаимодействия свайных фундаментов безростверковых опор из незаполненных пустотелых стальных трубчатых элементов (свай-оболочек) с грунтовыми основаниями, требует надежного обоснования.
Моделирование взаимодействия свай-оболочек с массивом грунтов выполняется на основе метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в алгоритмах сертифицированного программного средства ОепГОБ32 (авторы Н.И. Горшков, М.А. Краснов [5]).
По результатам моделирования выполняется:
• Определение несущей способности стальных свай-оболочек на основе решения осесимметричной задачи теории пластичности с применением конечных элементов (КЭ) оболочек вращения первого порядка, если необходимо, учитывается технология устройства свай-оболочек;
• Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) модели системы «конструкция (сооружение) - основание» в рамках решения плоских задач теории пластичности;
• Критериальные оценки элементов модели системы согласно требованиям действующих нормативных документов.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2 (25)
Для выполнения расчетов в условиях осесимметричной задачи в программу был введен оболочечный конечный элемент первого порядка (ID-shell), моделирующий сваю-оболочку.
Применение КЭ первого порядка уменьшает степень дискредитации расчетной области в окрестности сваи-оболочки и время расчета. Для обоснования его использования были выполнены необходимые тестовые расчеты:
1) Пример №1 из монографии [6], цель - сравнение результатов вычисления усилий в элементах 1D-shell;
2) Пример №2 из справочника [7], цель - сравнение результатов вычисления смещений для оболочек с элементами 1D-shell;
3) Пример №3 из монографии [8], цель - сравнение результатов вычислений по программе GenIDE32 с аналогичными результатами, полученными при полевых испытаниях полых конических свай и вычисленными по известной программе МКЭ PLAXIS;
4) Пример №4 из монографии [9], цель - сравнение результатов вычислений по GenIDE32 с аналогичными результатами, полученными на основании расчетов по действующей нормативной методике расчета оснований свайных фундаментов опор мостов.
Результаты расчетов по GenIDE32 и аналогичные, представленные в примерах №1 и №2, практически совпадают.
Ниже приводятся некоторые результаты решения задач для тестовых примеров №3 и №4.
Кроме заявленных выше целей расчета, еще существует необходимость в оценке совместности взаимодействия стандартных осесимметричных КЭ 3D (грунт, бетон) с элементами первого порядка 1D-shell (сталь, бетон).
В монографии [8] приведены результаты полевого определения несущей способности полой железобетонной конической сваи марки СПК-3-35, а также результаты определения ее несущей способности на основе расчетов по известной программе МКЭ PLAXIS, см. рис. 1.
Грунт основания (принятый для расчетов по программе PLAXIS) - суглинок: у=0,018 МН/м3, Е= 6,1 МПа, v=0,42, ф=17 град., с=0,020 МПа.
Геометрические размеры конической сваи: длина 3,00 м, верхний диаметр 0,35 м, нижний 0,29 м, толщина стенок 0,06 м, класс бетона В 25.
Особенности решения: осесимметричная задача теории пластичности (реологическая модель Мора-Кулона); ступенчатое приложение вертикальной нагрузки к голове сваи; без учета технологии устройства.
Для сравнительной оценки здесь приводятся результаты решений для расчетных схем:
1) системы «свая-основание», где полая коническая железобетонная свая моделируется стандартными осесимметричными КЭ (3D);
2) тоже, но полая коническая железобетонная свая находится в стальной конической оболочке, моделируемой оболочечными КЭ первого порядка (коническая железобетонная свая в конической стальной обсадной трубе);
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИИ -
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СТАЛЬНЫХ ШСШЖ ТОГУ. 2012. № 2(25)
СВАЙ-ОБОЛОЧЕК МКЭ
3) то же, но коническая часть железобетонной сваи моделируется оболо-чечными конечными элементами первого порядка (1D-shell).
Расчетные параметры: бетон класса В 25 (у=0,025 МН/м3, Е= 30000 МПа, v=0,20, Rc=11,5 МПа, R,=0,95 МПа), сталь (у=0,077 МН/м3, Е= 200000 МПа, v=0,20, Rc=200 МПа, Rt=189 МПа, t=0,024 м).
Результаты расчетов по программе приведены на рис. 1-3.
Графики зависимости нагрузка-осадка или зависимости «Fy-uy» (кН-м), для узла, где прикладывается вертикальная сила, для трех расчетных схем практически подобны и близки по значениям вычисленных величин, в сравнении с результатами, приведенными в монографии [8], см. рис. 1 (Fymax=80 кН, Uymax=0,175-0,0120=0,163 м).
На рис. 2 показаны зоны «пластичности» или предельного состояния модели системы «свая-основание». Для всех трех расчетных схем результаты практически одинаковы (размеры и напряженное состояние зон «пластичности»).
а) б)
Рис. 1. Графики зависимости «¥у-иу» (кН-м): а) из монографии Пономарева А.Б (расчеты по программе РЬАХШ выполнялись для схемы №1); б) по программе
ОепГОБ32 (схема №3)
В процессе моделирования нагружения сваи вертикальной нагрузкой, можно по заранее выделенной поверхности скольжения (слой контактных со сваей конечных элементов) выполнять оценку устойчивости, например, на основе варианта оценки «предельных касательных напряжений» [10]: к^=ти/т > [к^]=1,00, где ти и т - предельные (по Мору-Кулону) и расчетные значения касательных напряжений.
Результаты оценки устойчивости системы «свая-грунт» по контактной поверхности грунта приведены на рис. 3. На втором этапе нагружения, зоны «пластичности», развивающие снизу-вверх по контактному слою грунта, практически доходят до поверхности основания (график на рис. 1 становится
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2 (25)
нелинейным), при этом происходит потеря устойчивости, см. рис. 3 а). На последующих этапах нагружения также фиксируется потеря устойчивости (£й=соп81;й0,95 <[ ^^¿]=1,00), см. рис. 3 б). Этот факт указывает на происходящие в контактном слое грунта деформации сдвига, переходящие в скольжение грунта по свае. Но, есть еще и грунт ниже острия, который продолжает нести сваю!
а) б) в)
Рис. 2. Зоны «пластичности» модели системы «свая-основание»: а) расчетная схема №1; б) то же №2; в) то же №3
Рис. 3. Результаты оценки устойчивости системы по контактной поверхности сваи: а) условие устойчивости после второго этапа нагружения: £й=0,95<[к^]=1,00; б) график зависимости «этап нагружения - к^» В монографии [9], в прил.1, приведён пример расчета промежуточной однорядной опоры моста из железобетонных свай-оболочек ^=1,6 м.
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИЙ
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СТАЛЬНЫХ ВЕСТНЖ ТОГУ. 2012 № 2(25)
СВАЙ-ОБОЛОЧЕК МКЭ
Грунт основания (сверху-вниз): песок мелкий ф=32 град., супесь /¿=0,40, глина /¿=0,40 и е=0,60.
Параметры грунтов основания: песок мелкий у= 0,0105 МН/м3, Е= 28,00 МПа, у=0,30, ф=32 град., с=0,00 МПа; супесь у=0,0105 МН/м3, Е= 24 МПа, у=0,30, ф=26 град., с=0,015 МПа; глина у=0,022 МН/м3, Е= 22 МПа, у=0,42, ф=20 град., с=0,060 МПа.
Геометрические размеры сваи-оболочки: длина от низа ригеля -1=20,00 м, свободная длина 10=6,00 м, внешний диаметр 1,60 м, толщина стенок 0,16 м, класс бетона В 25. Высота бетонной пробки от низа сваи 5,00 м, то же под ригелем 1,00 м.
Результаты расчетов по программе приведены на рис. 4-5.
Несущая способность сваи-оболочки, определенная авторами книги по нормативному документу СНиП 11-17-77 (предшественник СНиП 2.02.03-85*) равна ^>7,28 МН.
В первой серии расчетов, выполненных на основе решения осесиммет-ричной задачи теории пластичности, определялась несущая способность сваи: реологическая модель материалов Мора-Кулона; ступенчатое приложение вертикальной нагрузки к голове сваи; без учета технологии устройства; свая-оболочка моделируется оболочечными КЭ (Ш^ЬеП), бетонные пробки (низ и верх) стандартными осесимметричными КЭ (3Б).
При численном моделировании нагружение сваи-оболочки вертикальной нагрузкой производилось согласно рекуррентной зависимости: ¥,= + где ^ =0., й¥г =0,5 МН (^=7,5 МН).
График зависимости «¥у-иу» (кН-м) для узла, где прикладывается вертикальная сила, приведен на рис. 4 а). Линейная зависимость между вертикальным усилием и вертикальным смещением наблюдается до нагрузки 2,5 МН. Вертикальное смещение сваи-оболочки от начального НДС, при вертикальной нагрузке ¥у= 7,5 МН, составило иу =0,41-0,15=0,25 м. В целом, на графике, наблюдается нелинейное деформирование системы без «провалов». Назначение величины несущей способности сваи при пологой кривой зависимости «¥у-иу» должно производиться по каким-то специальным критериям, например, по предельным деформациям.
Во второй серии расчетов, выполненных на основе плоской задачи теории упругости и пластичности (плоская деформация), определялись усилия и смещения в свае-оболочке. Свая-оболочка моделировалась в виде одномерного стержня.
Ниже приведены результаты решения по теории упругости и пластичности, при разовом приложении внешних сил (/у=-2,85 МН, ¥х=0,20 МН, М=0,45 МНм) и учете объемных сил для элементов системы, сваи и грунтов основания.
Сравнительные результаты (в примере и по МКЭ - упругое решение): Мтах=2,04 и 1,88 МНм, Ттах=0,288 и 0,149 МН (по длине сваи, погруженной в основание), их=0,0284 и 0,0141 м, у =0,00362 и 0,00100 рад, место с Ттах=0,0 на глубине 2,5 и 3,3 м от расчетной поверхности грунта.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2 (25)
Для упругого решения можно отметить, что учет технологии (определение начального НДС основания+погружение стержня+приложение внешних сил), влияет только на вид эпюры значений нормальных усилий в стержне, когда значение сил уменьшается по длине стержня; без учета технологии, эпюра имеет максимум в слое супеси.
а) б)
Рис. 4. График зависимости «¥у-ыу» (кН-м) для узла, где приложена вертикальная сила: а) опорный слой глина тугопластичная: б) то же алевролит
Устройство стержня моделируется постановкой условия «изменение удельного веса»: йу= убетона - угрунта, (разница между средними значениями удельных весов бетона и грунтов основания).
Сравнительные результаты (в примере и по МКЭ - упругопластическое решение): Мтах=2,04 и 1,89 МНм, Ттах=0,288 и 0,153 МН (по длине сваи, погруженной в основание), их=0,0284 и 0,0221 м, у =0,00362 и 0,00139 рад, место с Ттах=0,0 на глубине 2,5 и 4,8 м от расчетной поверхности грунта.
Сравнительный анализ результатов решений показывает одинаковый вид эпюр, один и тот же порядок значений в усилиях и смещениях в примере монографии и по МКЭ. В то же время анализ показал, что результаты упруго-пластического решения МКЭ ближе к нормативному решению, по сравнению с упругим решением МКЭ.
Здесь можно отметить, что в расчетной схеме МКЭ учитывалась неоднородность основания и сваи-оболочки (для части сваи с бетонными пробками учитывались геометрические параметры всего сечения), разные, для слоев грунта, параметры прочности и деформируемости грунтов.
Кроме этого, была решена модельная задача № 5, созданная на основе тестового примера № 4.
Цель - демонстрация возможностей МКЭ по определению несущей способности стальных свай-оболочек с учетом технологии их устройства.
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИЙ
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ СТАЛЬНЫХ ВЕС1НЖ ТСГУ. 2°12 № ВД
СВАЙ-ОБОЛОЧЕК МКЭ
В отличие от примера № 4, моделирование выполняется для стальной сваи-оболочки ^=1,6 м с толщиной стенки ¿=0,012 м, параметрами материала: у=0,077 МН/м3, Е= 3 000 000 МПа, v=0,20, Дс=140,5 МПа, ^¿=Ю0,5 МПа.
Свая опирается на скальный грунт - алевролит (вместо глины тугопла-стичной в примере №4). Параметры алевролита: у= 0,026 МН/м3, Е= 220 МПа, v=0,22, Rс=20 МПа, Rt=5 МПа.
Расчеты выполнялись для двух схем моделирования:
1. Учет технологии устройства сваи и последовательное приложение нагрузки к голове сваи (¥= ¥и1 + й¥).
2. Приложение нагрузки к голове сваи сразу (¥„¡^=7,5 МН), без учета технологии устройства.
На первом этапе выполнялось определение начального НДС основания.
Последовательное моделирование устройства сваи выполнялось постановкой на каждом этапе условий: погружение сваи-оболочки - «изменение удельного веса», разработка грунта внутри сваи - «экскавация», устройство бетонных пробок - «насыпь», см. документацию на программу ОепГОБ32 (www.femsoft.ru).
По результатам расчетов можно сделать вывод, что учет технологии устройства сваи (три этапа) влияет на величину вертикального смещения сваи иу=0,0493 м, при разовом приложении нагрузки иу=0,0648 м.
Зависимость «¥у-иу» (кН-м) для узла, где прикладывается вертикальная сила (разовое приложение), имеет линейный вид, стальная свая-оболочка с бетонной пробкой обладает высокой несущей способностью, см. рис. 4 б). Вертикальное смещение сваи-оболочки от начального НДС, при вертикальной нагрузке ¥у= 7,5 МН, составило иу =0,0648-0,0231«0,042 м.
Здесь необходимо обратить внимание на предложение, вынесенное в заголовок статьи авторами работы [11]. В статье приведен обзор исследований работы свай в скальных грунтах, где отмечается, что большая часть нагрузки на сваю воспринимается не в результате сопротивления скального грунта под нижним концом сваи, как это подразумевает документ [2], а за счет сопротивления сдвигу по его боковой поверхности.
Сравнивая результаты расчетов примеров № 4 и № 5 (рис. 5) можно увидеть, что несущая способность сваи действительно определяется условиями заделки сваи в скальный грунт.
Средства интерфейса программы позволяют выполнять критериальные оценки НДС системы «фундамент-основание» согласно требованиям действующих нормативных документов.
Сравнительный анализ результатов представленных расчетов на основе МКЭ и по действующим нормативным документам указывает на возможность их использования в проектировании фундаментов опор мостов из полых стальных свай-оболочек.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2012. № 2 (25)
а) б)
Рис. 5. Эпюры значений напряжений в окрестности заделки сваи т^ и ауу, МПа: а) опорный слой глина тугопластичная: б) то же алевролит
Библиографические ссылки
1. СНиП 2.03.11-85. «Защита строительных конструкций от коррозии». - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
2. СНиП 2.02.03-85*. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
3. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
4. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах /Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.
5. Программа ОепЮЕ32 для решения прикладных задач геомеханики / Горшков Н.И., Краснов М.А. СИСТЕМА СЕРТИФИКАЦИИ ГОСТ Р ГОССТАНДАРТ РОССИИ. СЕРТИФИКАТ СООТВЕТСТВИЯ № РОСС Ри.СП15.И00262, 21.09.2009 (www.femsoft.ru).
6. Образцов И. Ф., Савельев Л.М., Хазанов X С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов: - М.: Высшая шк., 1985.
7. Справочник по теории упругости (для инженеров-строителей) под редакцией Варвака П.М. и Рябова А.Ф. «Буд1вельник», 1971.
8. Пономарев А.Б. Основы исследований и расчета фундаментов из полых конических свай: Учебное пособие. - М.: АСВ, 2005.
9. Силин К.С., Глотов Н.М., Завриев К.С. Проектирование фундаментов глубокого заложения. - М.: Транспорт, 1981.
10. Способ оценки несущей способности основания и устойчивости системы «штамп-основание» на основе МКЭ / Горшков Н.И., Краснов М.А. // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2011. - № 3 (18).
11. О расчете свай в скальных грунтах / Зерцалов М.Г., Конюхов Д.С. // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2007. - №1.
