CC BY
267
УДК 624.15 Журавлев Е.П. Макаркин С. В. Алехин В.Н.
Расчет фундаментных плит на свайном основании
Журавлев Евгений Петрович
инженер УГТУ-УПИ.
т
Макаркин Сергей Викторович
канд. техн. наук, доцент УГТУ-УПИ.
Алехин
Владимир Николаевич
канд. техн наук, проф. декан строительного факультета УГТУ-УПИ
Аннотация
В статье рассматриваются варианты моделирования свайного основания с использованием метода конечныхэлементов при расчете зданий. Свайное основание моделировалось в виде отдельных стержневых конечныхэлементов в программном комплексе «Лира 9.4» или с использованием специальныхконечных элементов-свай в программном комплексе «1ЫС+ 2008». По результатам расчета в программном комплексе «Лира 9.4» и в программном комплексе «1ЫС+ 2008» было произведено армирование фундаментной плиты, произведен сравнительный анализ, сделаны выводы.
Shuravlev Е. P., Makarkin S.V., Alechin V. N.
CALCULATION OF FOUNDATION SLAB ON PILE BASE
Optionsfor modeling pile base using thefinite element methodfor analysis of buildings are described in the article. Pile base is modeled as a separate barfinite elements in theprogrammingpackage «Lira 9.4» or usingspecialpilefinite elements in theprogrammingpackage «ING+ 2008». By the results of calculation in the programming package «Lira 9.4» and in theprogrammingpackage «ING+ 2008» reinforcement of thefoundation slab has been produced, comparative analysis and conclusions have been made.
Ключевые слова: свайное основание, армирование фундаментной плиты, метод конечных элементов, программный комплекс «Лира 9.4», программный комплекс «ING+ 2008».
В современной практике проектирования возможны различные варианты моделирования свайного основания при расчете зданий с использованием метода конечных элементов. Нами были рассмотрены два варианта моделирования свайного основания.
В соответствии с первым вариантом свайное основание моделировалось в виде отдельных стержневых конечных элементов. Для этих стержней рассчитывались жесткости связей, моделирующих работу грунта под острием сваи и коэффициенты постели по боковой поверхности для восприятия горизонтальных нагрузок. Значения коэффициентов постели и жесткостей связей задавались с использованием рекомендаций [1]. Реализация подобного подхода к моделированию свайного основания возможна в любой универсальной программе, такой как «ЛИРА», «SCAD», «ING+», «ANSYS» и др.
Во втором варианте свайное основание моделировалось с использованием специальных конечных элементов-свай, отвечающих за работу сваи в грунте. Реализация подобного подхода к моделированию свайного основания возможна в специальных программных комплексах (ПК), таких как «ING+», «Plaxis 3D Foundation» и др.
Рассмотренные варианты моделирования свайного основания были реализованы при расчете десятиэтажного монолитного здания. Высота здания 37 м с подвалом и техническим этажом. Фундаментная плита имеет размеры в плане 29,2x21,5 м (см. рисунок 1). Толщина плиты принята 0.9 м. В проекте применены забивные железобетонные сваи длиной 12 м сплошного квадратного сечения (0,3х0,3 м).
Шаг свай принят 1,2 м в двух направлениях, количество свай 453 шт. Грунтовые условия площадки: слой № 1 — песок мелкий рыхлый, h1 = 1.8 тЕ1 = 8 МПа; слой №
Рисунок 1. Схема расположения фундаментной плиты, стен и колонн подвала
Слой № 1 Слой №2 Слой № 3 Слой № 4 Слой № 5 Слой №6,7
Рисунок 2. Схема работы сваи в грунте
2 — глина тугопластичная к2 = 2.4 тЕ2 = 10 МПа; слой № 3 — суглинок текучепластичный к3 = 1.2 т Е3 = 2МПа; слой №4 — глина мягкопластичная к = 5.8 тЕ3 = 7МПа; слой № 5 — суглинок тугопластичный к5 = 2.8 т Е5= 6 МПа; слой № 6 — суглинок тугопластичный к3 = 8 тЕ3 = 12 МПа.
Первый вариант свайного основания был реализован с использованием ПК «Лира 9.4». Схема работы сваи представлена на рисунке 2. Коэффициенты постели по боковой поверхности для стержневого конечного элемента (КЭ) № 10, моделирующего сваю, рассчитывались по рекомендациям [1]. Для КЭ № 210 под нижним концом сваи учитывался кусочно-линейный закон деформирования материала [2]. Этот элемент моделировал отпор грунта под острием сваи, трение боковой поверхности сваи о грунт, и позволил произвести расчет в нелинейной постановке.
Максимально допустимые напряжения для КЭ № 210 рассчитывались исходя из несущей способности сваи по грунту. Относительные деформации, соответствующие несущей способности сваи при задании билинейного закона деформирования материала, рассчитывались исходя из начального модуля деформации грунта под нижним концом сваи.
Второй вариант свайного основания был реализован в ПК «ШС+ 2008». С использованием данного ПК возможны моделирование и расчет отдельно расположенных свай в грунте. В расчетной модели грунт представлялся в виде упругого изотропного полупространства, которое задавалось слоями, что позволило наиболее полно учесть геологические особенности строительной площадки. Каждый слой характеризовался модулем деформации грунта, коэффициентом Пуассона грунта и мощностью залегания слоя [3].
Результаты расчета здания с фундаментной плитой на свайном основании при учете физически нелинейной работы свай в грунте представлены на рисунках 3, 4.
Значения изгибающих моментов в фундаментной плите для разных моделей свайного основания отличались как качественно, так и количественно. Значения продольных усилий в сваях тоже были различны, равно как и динамика достижения предельных значений продольных усилий в сваях. Так, в ПК «Лира 9.4» предел несущей способности, в первую очередь, достигался сваями в центральной зоне фундаментной плиты и далее, в процессе нелинейного расчета предельные значения усилий достигались в сваях ближе к краям фундаментной плиты. В ПК «ШС+ 2008» предел несущей способности, в первую очередь, достигался сваями на краях фундаментной плиты.
По результатам расчета здания при учете его совместной работы с фундаментной плитой на свайном основании можно сделать следующие выводы:
1 Результаты расчета в ПК «ШС+ 2008» показали, что наиболее нагруженные сваи располагались по контуру здания, что соответствует нормативным документам [1], тогда как в ПК «Лира 9.4» наиболее нагруженные сваи располагались в центральной части здания. Различный характер работы свайного основания для моделей, реализованных ПК «ШС+ 2008» и ПК «Лира 9.4», привел к
различным схемам армирования фундаментной плиты;
2 Для армирования фундаментной плиты по результатам расчета в ПК «Лира 9.4» потребовалось арматуры на 20% меньше, чем для армирования фундаментной плиты по результатам расчета в ПК«ШС+ 2008»;
3 При моделировании свайного поля в ПК «Лира 9.4» рекомендуется задавать жесткость крайних рядов свай в 2-3 раза больше получившейся при расчете с использованием рекомендаций [1]. В этом случае при расчете в ПК «Лира 9.4» можно получить распределение усилий в сваях, согласующиеся с распределением усилий, получен-
а)
б)
Рисунок 3. Погонные значения изгибающих моментов в фундаментной плите а) по сечению 1-1; б) по сечению 2-2 (см. рис. 1.)
а)
б)
Рисунок4. Распределение продольныхусилий в сваях а) сечение 1-1; б) сечение 2-2 (см. рис. 1.)
ными при расчете в ПК «ШС+ 2008»;
4 Для обеспечения распределяющей функции плитного фундамента следует предусматривать непрерывное (фоновое) верхнее и нижнее армирование фундаментной плиты продольной рабочей арматурой, площадь которой должна составлять не менее 20% от соответствующей максимальной расчетной в зонах усиления [4].
Список использованной литературы
1 СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М.: ГУП НИИОСП. ФГУП ЦПП, 2004.
2 Стрелец-Стрелецкий Е. Б., Бо-говис В. Е. «Лира 9.4». Руководство пользователя. Основы: Учеб. пособие. Киев: Факт. 2008. 164 с.
3 Справочная система ПК «ШС+ 2008».
4 Сорочан Е. А., Безволев С. Г. Рекомендации по проектированию фундаментных плит // Информационный вестник Мособлгосэкспертизы. 2003. выпуск № 3. С. 26-28.
