CC BY
46
вестник 11/2012
УДК 624.154
А.С. Буслов, А.А. Бакулина
ФГБОУ ВПО «МГОУ им. В. С. Черномырдина»
РАСЧЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ СВАЙ С КОЛЬЦЕВЫМИ УШИРЕНИЯМИ В ПРЕДЕЛАХ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ
На основе разработанного авторами аналитического метода расчета приведены данные о влиянии кольцевого уширения, устраиваемого в верхней сжимаемой зоне грунта, на перемещения горизонтально нагруженных моносвайных опор. Показано, что в формировании дополнительного сопротивления перемещениям горизонтально нагруженной сваи участвует как фронтальная поверхность кольцевого уширения, так и его подошва за счет возникновения сил трения по контакту ее с грунтом при горизонтальном сдвиге и вертикального отпора при крене плиты под действием моментной нагрузки. Устройство кольцевого уширения в верхней сдвигаемой зоне грунта может давать значительное (в 4...8 раз) уменьшение перемещений горизонтально нагруженной сваи по сравнению с аналогичной по размерам сваей без кольцевого лежня.
Ключевые слова: моносвайная опора, горизонтальная нагрузка, кольцевое уширение, горизонтальные перемещения.
В основе практически всех методов расчета по деформациям свай на горизонтальную нагрузку лежит теория взаимодействия упругого стержня с упругим полупространством. Отличие методов друг от друга заключается в вариациях моделей основания, учитывающих реальные свойства грунтов, таких как сжимаемость, пластичность, ползучесть, дискретность, связность и внутреннее трение, а также их сочетание; параметры жесткости — гибкости свай, характер и условия их загружения и т.д. Кроме того, методы расчета разделяются на аналитические и графоаналитические, численные с применением ЭВМ, эмпирические и полуэмпирические.
В последние годы в связи с развитием численных методов расчета с применением ЭВМ появились достаточно интересные работы по исследованию и расчету горизонтально нагруженных свай на основе использования метода конечных элементов. За рубежом получили известность исследования Trochanis и др. (1991), Yang и Jeremiae (2005), Johnson (2006), Tahghighi и Kongai (2007), использовавших метод конечного элемента (МКЭ) для численных исследований работы горизонтально нагруженных свай. Влияние вертикальной нагрузки на работу горизонтально нагруженной сваи изучал с помощью МКЭ Karthigeyan с соавторами (2006). Типичный анализ горизонтально нагруженной сваи с помощью программы PLAXIS 3D FOUNDATION можно встретить в работе M.R. Taha и др. (2009).
В то же время методы расчета горизонтально нагруженных свай с кольцевыми уширениями в литературе практически не освещены.
Для выявления характерных особенностей работы горизонтально нагруженной свайной опоры с кольцевым уширением и постановки задач дальнейших исследований авторами был проведен предварительный анализ методом конечных элементов (МКЭ) влияния кольцевого уширения на характер напряженно-деформированного и силового взаимодействия фундамента с идеализированной моделью основания — упругим полупространством [1].
Наряду с численными методами в практике проектирования подземных сооружений и фундаментов широко используются аналитические, как строгие, так и инженерные, методы расчета. Основанные на базовых теоретических зависимостях
механики деформируемого твердого тела, связанной с ней механикой грунтов и строительной механикой эти методы при подкреплении их данными экспериментальных исследований достаточно эффективны и в ряде случаев более удобны для практического использования. В данной статье приводится разработанный авторами аналитический метод расчета перемещений горизонтально нагруженных моносвайных фундаментов с кольцевыми уширениями, на основании которого определено влияние геометрических размеров дополнительных устройств на деформации отдельно стоящих сооружений.
Расчетная схема приведена на рис. 1. Перемещения рассматриваются в пределах линейных деформаций основания, т.е. при напряжениях (0,2...0,3) акр. Принимается схема [2, 3], в соответствии с которой горизонтальные деформации сваи и жестко соединенной с ней опоры являются результатом суммирования (рис. 1, а): плоско — параллельного перемещения сваи Ар* под действием горизонтальной нагрузки Рг (рис. 1, б), приложенной в точке центра тяжести С эпюры бокового давления на сваю, и ее поворота на угол 9 в грунте вокруг этой точки от моментной нагрузки М (рис. 1, в).
IAf(H)
Рис. 1. Схема для определения перемещений горизонтально нагруженной сваи: а — суммарное перемещение сваи в месте приложения нагрузки Рг на высоте Н; б — плоскопараллельное перемещение сваи под действием Рг , приложенной в центре тяжести с эпюры бокового отпора грунта; в — поворот сваи под действием МС, приложенного в центре тяжести эпюры бокового отпора грунта
Боковой отпор грунта, возникающий при повороте сваи в грунте под действием горизонтальной нагрузки, приложенной на высоте Н, представлен как сумма отпоров от силы Р (рис. 2, а) и моментной нагрузки М (рис. 2, б), приложенных в центре тяжести эпюр.
Кроме того, учитывается отрицательный момент, возникающий от отпора грунта по подошве кольцевого уширения и основания сваи (рис. 2, в).
Расчеты строительных конструкций по второй группе предельных состояний (по деформациям) основываются на той или иной деформационной модели материала, из которого выполнена данная конструкция. В полной мере это положение относится к грунтовым основаниям, взаимодействующим с подземными сооружениями.
В качестве деформационной модели грунта в расчетах горизонтально нагруженных свай нами принимается модель Фусса — Винклера. На основе этой модели решаются многие инженерные задачи расчета балок и плит на упругом основании, в т.ч. и свай на горизонтальную нагрузку. Деформационной характеристикой в этой модели является коэффициент постели. В общем случае для различных видов грунтов коэффициент постели зависит как от величины и вида действующей нагрузки, так и от формы и размеров загружаемой площади. В связи с этим многие исследователи, применяя метод коэффициента постели, предлагают определять его значения через модуль об-
ВЕСТНИК
11/2012
щей деформации грунта на основе зависимости Шлейхера — Буссинеску для осадки штампа на упругом полупространстве, наделяя тем самым модель Винклера некоторой распределительной способностью линейно деформируемой среды.
N
I
р
+
г
М
О"
жг 2
Рис. 2. Расчетная схема для определения горизонтальных перемещений сваи с уширением: а — эпюра бокового отпора по длине сваи от действия приложенной в центре тяжести с горизонтальной нагрузки Р; б — эпюра бокового отпора от действия моментной нагрузки М; в — эпюры вертикального отпора грунта по подошве кольцевого уширения и основания сваи и возникающие при этом моменты Мку
и Мосн
В данной работе на основании решений Шлейхера — Буссинеску и К.Е. Егорова [4] используются формулы, выражающие коэффициент постели, а через него «отпор-ность» основания через модуль общей деформации для случаев нагружения штампов прямоугольной и круглой формы сосредоточенной силой и моментом.
В соответствии с расчетной схемой (см. рис. 1) суммарные горизонтальные перемещения опоры ^ Аг на высоте Нравны (см. рис. 1, а):
^А г = А Р +А М. (1)
Полученная нами на основе принятой расчетной схемы и уравнений строительной механики итоговая формула для определения в линейной постановке перемещений моно свайной опоры на высоте Н от поверхности грунта имеет вид
АР =■
о а лат 2
Рг -Ртакр-^ а
СР [Ь + Ь(а-1)) Рг (Я + 2С )-р то
па2
[( -Ь)(а2 - 1) + (Ь- гс)]
(2)
С
\%(ь - гс )3 ^а3 а3
(Н + 2,
С )'
где
*балка
в =^; а = Я / а; 2С = Ь^С^-И+Ь^; = Л-; * = окр С 2Ь(а -1) + 2 Ь Ркр Ср
= 6 шЬ; = СМРут 32ш = т ; ='
п Ь
С
6п
где СР = -
ш (1 -ц2)
■ «отпорность» основания при вдавливании штампа, принимае-
мая равной СР = ка ; к — коэффициент постели; С^^™=
6Е Ь
- «отпорность»
при повороте прямоугольного фундамента; С^ = 32 Е° вороте круглого фундамента; Р [5].
6п (1 -ц2)
п(1 - ц 2)Ь
«отпорно сть» при по-
М
с
св
М
св
2
2
2
Геометрические размеры даны на рис. 1 и 2.
Анализ экспериментальных данных, имеющихся в литературе, показывает, что силы трения по боковым поверхностям сваи для различных грунтов составляют / = (0,1...0,3)сткр . Большее влияние сил трения отмечается в начальной стадии нагружения сваи до их срыва. Меньшее влияние сил трения соответственно наблюдаются при достижении сваей предельной несущей способности, когда происходит срыв этих сил. Для практических расчетов осредненно можно принимать р = 0,15 .
Полученная зависимость (2) дала возможность провести исследования влияния геометрических параметров кольцевого уширения на перемещения и крен горизонтально нагруженных свай в сочетании с различными схемами их загружения. В основу исследований положены сопоставительные расчеты горизонтально нагруженных свайных опор с различными исходными данными и сравнение получаемых результатов в безразмерных параметрах, что позволяет делать определенные обобщения.
В качестве исходного принят вариант буронабивной сваи диаметром сС = 40 см, глубина погружения Ь = 200 см, а = 1 (отсутствие уширения). Грунт — суглинок; угол внутреннего трения ф = 20°, сцепление с = 0,05 МПа; модуль общей деформации грунта Е0 = 20 МПа, коэффициент Пуассона ц = 0,37, ш = 1,83. Горизонтальная нагрузка приложена у поверхности грунта, т.е. Н = 0. Также принято, что в = /т/ък = 0,1.
20
Отпорность грунта СР = ^^^ (1 - 0,372) = 12,7 МПа.
Как видно из рис. 3, кольцевое уширение оказывает значительное влияние на перемещения горизонтально нагруженных свай. Так, при увеличении диаметра уширения в 2,5 раза по сравнению с диаметром сваи перемещения горизонтально нагруженной у поверхности грунта сваи уменьшаются в 4,6 раза. При этом зависимость горизонтальных перемещений от диаметра уширения носит нелинейный характер.
Дг, ммт
2,0
1,5 1,0 0,5 0,0
1,0
1,5
2,0 ^ , 7 2,5 а = D/d
Рис. 3. График влияния диаметра уширения на перемещения сваи при действии горизонтальной нагрузки на уровне дневной поверхности (Н = 0)
Аналогичная зависимость прослеживается и для вариантов приложения горизонтальной нагрузки на высоте Н > 0 (рис. 4). Так, при увеличении диаметра уширения в 2,5 раза по сравнению с диаметром сваи с перемещения горизонтально нагруженной сваи на высоте Н = 0,1Ь при Рг = 10 кН уменьшаются в 5,4, а соответственно на высоте Н = 1,5Ь в 8,1 раза.
С увеличением высоты приложения одинаковой по величине нагрузки перемещения горизонтально нагруженных свай увеличиваются. В то же время на перемещение сваи с приложенной к ней моментной нагрузкой оказывает и размер диаметра уширения сваи (см. рис. 4).
ВЕСТНИК
11/2012
Сопоставительные расчеты перемещений моносвайной горизонтально нагруженной опоры с уширениями различной толщины показывают, что увеличение толщины кольца дает определенный эффект уменьшения горизонтальных перемещений опоры. В то же время установлено, что с повышением уровня приложения горизонтальной нагрузки над дневной поверхностью, что равнозначно увеличению моментной нагрузки, эффективность утолщения кольца снижается.
30 о Лг, мм
24,0
18,0
12,0
1,0
1,5
2,0
а =
2,5
Рис. 4. Зависимости перемещений Лг горизонтально нагруженных свай Ь = 200 см, ^ = 40 см, Ь = 20 см, Рг = 10 кН при изменении высоты Н приложения нагрузки и диаметра В кольцевого уширения
На основании проведенных аналитических исследований установлено, что в целях уменьшения перемещений горизонтально нагруженных моносвайных опор наиболее целесообразным является увеличение диаметра кольцевого уширения. Хотя утолщение кольца дает дополнительный эффект в этом направлении, однако его размер будет определяться, в основном, величиной изгибающего момента, возникающего от действия реакции грунта по подошве уширения.
Выводы. 1. На основе разработанного теоретического метода расчета перемещений горизонтально нагруженных свай с кольцевым уширением в линейно деформируемой среде проведены аналитические исследования влияния геометрических размеров коль -цевого уширения на деформационную устойчивость отдельно стоящих сооружений.
2. Наибольшую эффективность на работу свай оказывает диаметр уширения. Так, при диаметре уширения, составляющем 2,5 диаметра сваи, перемещения горизонтально нагруженной сваи у поверхности грунта при Н = 0 уменьшаются в 4,6 раза.
3. Аналогичная зависимость прослеживается и для вариантов приложения горизонтальной нагрузки на высоте Н > 0. Эффект от применения кольцевого уширения при действии моментной нагрузки в ряде расчетных случаев достигает 76 %. С увеличением моментной нагрузки роль вертикального отпора грунта по подошве кольцевого уширения в уменьшении величины перемещений свайной опоры увеличивается.
4. Установлено, что в целях уменьшения перемещений горизонтально нагруженных моно свайных опор наиболее целесообразным является увеличение диаметра коль -цевого уширения. Хотя утолщение кольца при этом дает дополнительный эффект, од -нако его величина будет определяться в основном расчетом по прочности на действие изгибающего момента, возникающего от реакции грунта по подошве уширения.
Библиографический список
1. Бакулина А.А., Буслов А.С. Исследование МКЭ напряженно-деформированного и силового взаимодействия фундаментов одностоечных горизонтально нагруженных опор с упругим полупространством // Промышленное и гражданское строительство в современных условиях : материалы Междунар. науч.-техн. конф. М. : МГСУ, 2011. С. 135—137.
2. Буслов А.С. Работа свай на горизонтальную нагрузку за пределами упругости в связных грунтах. Ташкент : Фан, 1979. 106 с.
3. Broms B.B. (1964). Lateral resistance of piles in cohesive soils. J. Soil Mech. Found. Div., 90(2), рр. 27—64.
4. Основания и фундаменты / Н.А. Цытович, В.А. Веселов, П.Г. Кузьмин и др. ; под ред. Н.А. Цытовича. М. : Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1959. 452 с.
5. БусловА.С., БакулинаА.А. Влияние кольцевого уширения на несущую способность горизонтально нагруженной моносвайной опоры // Вестник МГСУ 2012. № 4. С. 63—69.
Поступила в редакцию в августе 2012 г.
Об авторах: Буслов Анатолий Семенович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного производства, основания и фундаментов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина» (ФГБОУ ВПО «МГОУ им. В.С. Черномырдина»), 107996, г. Москва, ул. П. Корчагина, д. 22, (495)316-39-64, [email protected];
Бакулина Александра Александровна — аспирант кафедры строительного производства, основания и фундаментов, ФГБОУ ВПО «Рязанский институт (филиал) Московского государственного открытого университета имени В.С. Черномырдина» (ФГБОУ ВПО (РИ(ф) МГОУ им. В.С. Черномырдина), 390000, г. Рязань, ул. Право-Лыбедская, д. 26/53, [email protected].
Для цитирования: Буслов А. С., Бакулина А.А. Расчет перемещений горизонтально нагруженных свай с кольцевыми уширениями в пределах линейных деформаций основания // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 38—44.
A.S. Buslov, A.A. Bakulina
CALCULATION OF DISPLACEMENTS OF LATERALLY LOADED PILES WITH ROUND CAPS WITHIN THE LIMITS OF LINEAR DEFORMATIONS OF THE BASE
The authors provide data on the influence of a round cap installed in the upper compressed zone of soil onto displacement of laterally loaded single-pile supports identified on the basis of the analytical method that they have developed. The authors demonstrate that both the front surface of the round cap and its bottom contribute to formation of the supplementary resistance to displacements of a laterally loaded pile due to (i) the friction force that arises alongside its contact with soil in the event of a lateral displacement, and (ii) a vertical pressure under the impact of a moment load in the event of a tilted slab. A round cap in the upper displaced zone of soil may cause a substantial reduction (4-8-fold) of displacements of a laterally loaded pile if compared to the pile that has no round cap.
Key words: single-pile support, lateral load, round cap, horizontal displacements.
References
1. Bakulina A.A., Buslov A.S. Issledovanie MKE napryazhenno-deformirovannogo i silovogo vzaimodeystviya fundamentov odnostoechnykh gorizontal'no nagruzhennykh opor s uprugim polu-prostranstvom [Research of the Stress-stain and Force Interaction of Foundations of Single-column Laterally Loaded Supports with an Elastic Half-space Using FEM]. Collected works of the Institute of Construction and Architecture. Collected papers of the International Scientific and Technical Conference "Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo vsovremennykh usloviyakh" [Industrial and Civil Engineering in the Present-day Environment]. Moscow, MGSU Publ., 2011, pp. 135—137.
2. Buslov A.S. Rabota svay na gorizontal'nuyu nagruzku za predelami uprugosti v svyaznykh grun-takh [Behaviour of Piles Exposed to Lateral Load beyond the Limits of Elasticity in Cohesive Soils]. Tashkent, Fan Publ., 1979, 106 p.
вестник 11/2012
3. Broms B.B. Lateral Resistance of Piles in Cohesive Soils. J. Soil Mech. Found. Div. 1964, no. 90(2), pp. 27—64.
4. Tsytovich N.A., Veselov V.A., Kuz'min P.G.; edited by Tsytovich N.A. Osnovaniya i fundamenty [Beddings and Foundations]. Moscow, Gos. izd-vo literatury po stroitel'stvu, arkhitekture i stroitel'nym materialam publ., 1959, 452 p.
5. Buslov A.S., Bakulina A.A. Vliyanie kol'tsevogo ushireniya na nesushchuyu sposobnost' gorizontal'no nagruzhennoy monosvaynoy opory [Effect of a Round Cap on the Bearing Capacity of a Laterally Loaded Pile]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 4, pp. 63—69.
About the authors: Buslov Anatoliy Semenovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Construction Operations, Beddings and Foundations, Moscow State Open University named after V.S. Chernomyrdin (MGOU), 22 Korchagina st., Moscow, 129626, Russian Federation; [email protected]; [email protected]; +7 (495) 683-87-97;
Bakulina Aleksandra Aleksandrovna — postgraduate student, Department of Construction Operations, Beddings and Foundations, Ryazan Institute (Branch), Moscow State Open University named after V.S. Chernomyrdin (RI(B) MGOU); 26/53 Pravo-Lybedskaya St., Ryazan, 390000, Russian Federation; [email protected].
For citation: Buslov A.S., Bakulina A.A. Raschet peremeshcheniy gorizontal'no nagruzhennykh svay s kol'tsevymi ushireniyami v predelakh lineynykh deformatsiy osnovaniya [Calculation of Displacements of Laterally Loaded Piles with Round Caps within the Limits of Linear Deformations of the Base]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 11, pp. 38—44.
