CC BY
23К 85-летию Казанского ГАСУ
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 728.1:699.841
И.Т. МИРСАЯПОВ, д-р техн. наук, И.В. КОРОЛЕВА, канд. техн. наук ([email protected])
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
Проектирование свайно-плитного фундамента высотного здания с учетом влияния ветровых воздействий на сейсмостойкость грунтового основания
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. Приведены результаты трехосных испытаний грунтов оснований, проведенных 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. Полученные результаты 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, свайно-плитный фундамент.
I.T. MIRSAYAPOV, Doctor of Sciences (Engineering), I.V. KOROLEVA, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Kazan State University ofArchitecture and Engineering (1, Zelenaya Street, 420043, Kazan, Russian Federation)
Design of Pile-Slab Foundation of a High-Rise Building with Due Regard for Influence of Wind Impacts on Seismic Resistance of Soil Base
In the course of design of high-rise buildings on seismic-active construction sites, it is necessary to take into account the influence of a dynamic component of the wind load on changes in physical-mechanical properties of soils of bases during the process of long-term operation of the building up to the moment of the earthquake occurrence. The results of triaxial tests of base soils conducted on the stabilometer according to a specially developed technique, which specifies the imposition of dynamic stresses on the static stress state of soils samples, are presented. Amplitude, frequency and duration of action of the dynamic stresses are equivalent to the calculated scenario seismic impact or dynamic component of the wind load. The results obtained are used for development of the design of the pile-slab foundation with due regard for the impact of seismic and wind loads on the change in the rigidity of the pile base and, as a consequence, on the redistribution of efforts between separate elements of the "soil base-foundation-superstructure" system.
Keywords: dynamic loading, triaxial compression, seismic impact, wind load, pile-slab foundation.
В Казани в акватории реки Казанка планируется возведение многофункционального комплекса, состоящего из трех высотных зданий, объединенных между собой трехэтажной стилобатной частью. Два высотных здания комплекса размещены на общем свайно-плитном фундаменте без устройства деформационных швов в плитном ростверке. В таких условиях с целью обеспечения качественного количественного прогнозирования совместного деформирования системы «грунтовое основание -свайно-плитный фундамент - высотное здание» прежде всего необходимо правильно оценить прочностные и деформационные параметры грунтового основания, учитывая их исходное напряженно-деформируемое состояние, переменную глубину активной зоны деформирования грунтового массива, закономерности деформирования и трансформации напряженно-деформированного состояния всех элементов системы в процессе возведения здания и на этапе воздействия постоянных и временных на-
8в| -
грузок, в том числе динамической составляющей ветровых и сейсмических воздействий [1-8]. Такой подход позволяет уменьшить влияние негативных процессов, происходящих в отдельных конструктивных элементах и в здании в целом, связанных с некорректным прогнозированием геомеханических процессов, происходящих в грунтовых массивах оснований фундаментов на стадиях возведения и эксплуатации здания.
Площадка строительства является сложной. Первым осложняющим фактором являются наличие высокого уровня грунтовых вод, который гидравлически связан с режимом Куйбышевского водохранилища, и залегающие с поверхности земли слои слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и слои торфа мощностью от 3 до 7 м. Ниже названных слоев на глубину до 12 м площадка строительства сложена водонасыщенными песчаниками, подстилаемыми глинистыми грунтами мощностью до 80 м.
^^^^^^^^^^^^^ 5 2015
Научно-технический и производственный журнал
To the 85-Anniversary of the Kazan State University of Architecture and Engineering (KSAIU)
js 200
150
Этап приложения ветровой нагрузки
Этап приложения ветровой нагрузки
Этап приложения сейсмической нагрузки
100
50
0
1
2
6
7
8
100 200 300
Количество циклов нагружения, N
3 4 5 Вертикальные деформации, мм
Рис. 1. Изменения деформации образца грунта при последовательном приложении циклических нагружений, эквивалентных ветровому и сейсмическому воздействиям
Другим осложняющим фактором является сейсмоо-пасность площадки строительства. Согласно карте сейсмического районирования ОСР-97 на территории Казани прогнозируются землетрясения интенсивностью 7 баллов на средних грунтах по шкале МБК 64. Увеличение уровня сейсмической активности территории Казани было спровоцировано поднятием уровня грунтовых вод вследствие строительства Куйбышевского водохранилища и наличием тектонических разломов. Как результат, при проектировании сооружений требуется применение антисейсмического усиления, а также оценка динамических свойств грунтов оснований при изысканиях.
Анализрезультатовисследованийветровыхвоздействий на акватории реки Казанка показал, что для проектируемых зданий штормовой ветер по силе и опасности воздействия приближается к землетрясению интенсивностью 7 баллов. В связи с тем, что расчетное количество циклов воздействий ветровой нагрузки существенно больше, чем расчетное количество циклов сейсмического воздействия (30 циклов), влияние динамической составляющей ветровых нагрузок может быть существенным. 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 к моменту начала землетрясения.
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 получены по результатам первого этапа численного моделирования системы «здание - фундамент - грунтовое основание» (в этом расчете рассматривались природные параметры грунтов основания); параметры землетрясения получены по данным сейсмического микрорайонирования.
S 14,5
13,5
Количество циклов нагружения, N
Рис. 2. Зависимость изменения: а — прочности грунта от количества циклов нагружения; б — модуля общих деформаций грунта от количества циклов нагружения
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 загруже-ние, эквивалентное ветровому воздействию. Затем на образец грунта прикладывалась циклическая нагрузка в соответствии с приведенными параметрами сейсмической нагрузки (рис. 1).
Рис. 3. Общий вид расчетной модели комплекса высотных зданий
а
б
К 85-летию Казанского ГАСУ
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 4. Схема размещения свай с учетом перераспределения усилий
Рис. 5. Вертикальные деформации плитного ростверка и грунта оснований
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. 2, а), а также между модулем общих деформаций образца и количеством циклов нагружения (рис. 2, б). Уменьшение указанных характеристик грунтов при циклическом нагружении в соответствии с принятыми параметрами эквивалентных циклических нагружений составило около 30%.
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».
При создании расчетной модели учитывалось, что рассматриваемая часть многофункционального комплекса состоит из двух 27-этажных зданий, объединенных между собой трехэтажной стилобатной частью, нижний этаж которой является подземным и предназначен для парковки автомобилей. Надземная и подземная части комплекса относятся к каркасным системам с центральными ядрами жесткости. Основные конструктивные элементы здания были смоделированы со следующими геометрическими размерами: вертикальные несущие элементы здания - колонны запроектированы переменного сечения по высоте 1x1, 0,9x0,9, 0,8x0,8 м; внутренние несущие стены имеют толщину до 0,4 м; железобетонные плоские перекрытия приняты толщиной 0,25 м. Все конструктивные элементы надземной части здания планируется выполнить из монолитного железобетона класса В30. Продольная рабочая арматура всех элементов принята класса А500, поперечная арматура - класса А400.
Фундамент запроектирован свайно-плитным с расчетной толщиной плитного ростверка 1,5 м. Сваи приняты забивные длиной от 8 до 14 м, сечением 350x350 мм.
Расчет высотных зданий выполнен с учетом совместного деформирования системы «грунтовое основание - фундамент - надземная часть здания» (рис. 3) при условии перераспределения усилий между элементами системы на основные и особые сочетания нагрузок (сейсмическая нагрузка).
При расчете рассмотрены следующие варианты загру-жения: 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 Х и У; 6-е и 7-е загружения - статическая составляющая ветровой нагрузки в направлении Х и У; 8-е и 9-е загружения - динамическое воздействие ветровой нагрузки в направлении Х и У.
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 вычислении прогнозной величины осадки основания свайно-плитного фундамента с учетом перераспределения усилий между сваями, изменения жесткостей свай и грунтового основания, а также их взаимодействия исполь-
90
5'2015
Научно-технический и производственный журнал
To the 85-Anniversary of the Kazan State University of Architecture and Engineering (KSAIU)
зовали общеизвестное уравнение жесткости комбинированного свайно-плитного фундамента (СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов»):
K(N)=Kp(N)+Krm (1)
где Kp(N) - жесткость всех свай в зависимости от суммарного количества циклов нагружения; Kr(N) - жесткость плитного ростверка.
Жесткость всех свай определяется по формуле:
= Ki(N)n R.
(2)
где Ki(N) - жесткость одной сваи, определяемая как отношение нагрузки на сваю к ее осадке в зависимости от суммарного количества циклов нагружения; п - общее количество свай в фундаменте; Rs - коэффициент взаимовлияния свай.
Жесткость плиты с учетом перераспределения усилий вычисляется по формуле:
E^N) ■ *4А
Kr(N) ^ '
(3)
[1-г2(ЛГ)]-т0 где Ет- осредненное значение модуля деформации грунта при циклическом нагружении на глубине до В (В -ширина подошвы фундамента); А - площадь плитного ростверка; - коэффициент Пуассона грунта при циклическом нагружении; т0 - коэффициент площади, зависящий от соотношения размеров плитного ростверка.
При выполнении расчетов свайных оснований с учетом совместного деформирования всей системы и изменения прочностных и деформационных свойств грунтов 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. 4-5). Заключение
При проектировании высотных зданий на сейсмически активных площадках строительства предварительно необходимо выполнить анализ ветровых нагрузок по их интенсивности и количеству циклов повторного воздействия. В случаях, когда давление от ветровых нагрузок на грунты основания фундаментов соизмеримо напряжениям, возникающим от сейсмических воздействий, при прогнозной оценке несущей способности и деформаций грунтовых оснований необходимо учитывать влияние динамической составляющей ветровой нагрузки на изменение физико-механических свойств грунтов оснований в процессе длительной эксплуатации здания до момента начала землетрясения. Расчет зданий рекомендуется выполнять с учетом возможного изменения прочностных и деформационных свойств грунтов основания при последовательном действии ветровой и сейсмической нагрузок и, как следствие, изменения жесткости основания и фундамента и перераспределения усилий между элементами системы «грунтовое основание - фундамент - здание».
Список литературы
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: КазГАСУ, 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. Lieden: Balkema, 2014. P. 742-747.
4. 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.
5. 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. Lieden: Balkema, 2014. P. 401-404.
6. 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.
7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при режимном нагружении // Известия КГАСУ. 2012. № 4 (22). С. 193-198.
8. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при циклическом трехосном сжатии // Геотехника. 2010. № 6. С. 64-67.
References
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. No. 4, pp. 16-23. (In Russian).
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. Kazan: KSUAE. 2014, pp. 8-23. (In Russian).
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. Lieden: Balkema. 2014, pp. 742-747.
4. 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. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 9, pp. 6-8. (In Russian).
5. 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. Lieden: Balkema. 2014, pp. 401-404.
6. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Designed model of long nonlinear deformation of clay soil in a complex stress state. Izvestiya KGASU. 2011. No. 2 (16), pp. 121-128. (In Russian).
7. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clay soils during loading of regime. Izvestiya KGASU. 2012. No. 4 (22), pp. 193-198. (In Russian).
8. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clayey soils under cyclic triaxial compression. Geotechnюа. 2010. No. 6, pp. 64-67. (In Russian).
