CC BY
49
УДК 624.159.5
ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail ru
Кубанский государственный аграрный университет,
350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sdg_samara@mail. ru
ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант, annafilich@mail ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТОВ С ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ
В статье обосновывается возможность применения ПК PLAXIS 3D Foundation для моделирования напряженно-деформированного состояния грунтов в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных).
Ключевые слова: моделирование; натурные эксперименты; фундамент мелкого заложения; железобетонная свая; напряженно-деформированное состояние грунтов основания.
POLISCHUK, ANATOLY IVANOVICH, Prof Dr.Tech. Sc., ofpai@mail. ru
Kuban State Agrarian University,
13 Kalinina st., Krasnodar, 350044, Russia
SAMARIN, DMITRYGENNADJEVICH, Ph.D., Assoc.Prof.,
sdg_samara@mail. ru
FILIPPOVICH, ANNA ALEKSANDROVNA, P.G.,
\annafilich@mail ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
RESULTS OF MODELLING PROCESSES OF INTERACTION OF FOUNDATIONS WITH CLAY SOIL
The possibility of using the personal computer PLAXIS 3D Foundation for modeling the stress-strain state of soil at the base of foundations (shallow and pile foundation) is proved in the article.
Key words: modeling; natural experiments; shallow foundation; reinforced concrete pile; the stress-strain state of the soil foundation.
© А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович, 2013
Для совершенствования методов расчета фундаментов зданий (в том числе при их реконструкции) большое значение имеют натурные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния грунтов и сопоставление полученных результатов с данными моделирования. В последние годы в России находят все большее применение программные продукты PLAXIS, MIDAS GTS, FEM models, ABAQUS, ANSIS и др., которые используются в проектной практике. Однако недостаточное количество информации о выполненных натурных исследованиях взаимодействия фундаментов и грунтов оснований не всегда позволяет дать должную оценку полученным результатам.
Основная задача при подготовке статьи заключалась в оценке возможности использования программного комплекса PLAXIS 3D Foundation [1] для моделирования напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных). Задача решалась на основании сопоставления результатов натурных экспериментов [2, 3] с данными расчета.
При проведении моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation были использованы исходные данные, соответствующие реальным условиям натурных экспериментов. Это физико-механические характеристики глинистых грунтов основания, значения нагрузок и последовательность их приложения, геометрические параметры фундаментов и др. Для моделирования глинистых грунтов в основании фундаментов использовалась упругопластическая модель Кулона - Мора, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона и, удельного сцепления C, угла внутреннего трения ф и угла дилатансии у. Для моделирования работы материалов фундамента - штампа и сваи - применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками. Расчет производился в три стадии: 1 - начальная стадия: учет гравитационной нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2 - стадия расчета конструкций; 3 - приложение заданной величины и характера нагрузки, выбор необходимых точек для определения в них давлений и перемещений.
Результаты натурных экспериментов напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании фундаментов принимались по работам А.И. Полищука (для фундаментов-штампов мелкого заложения) [2] и С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова (для свай) [3].
В работе А.И. Полищука [2] приведены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений (вертикальных, горизонтальных) в основании жестких круглых фундаментов-штампов площадью 10 000 см2 на однородных лессовых суглинках природной влажности (маловлажных, г. Георгиевск) и предварительно увлажненных (влажных, г. Геор-гиевск). Глубина заложения фундаментов-штампов составляла 0,4 м от поверхности земли. Полученные результаты рассматривались для стабилизированного состояния оснований. Просадочные деформации лессовых грунтов и изменение напряженного состояния оснований во времени в данной работе не рассматривались.
Напряжения в грунте измерялись тензометрическими месдозами (датчиками) с гидравлическим преобразователем [4]. Анализ работы данных датчиков показал, что они обладают высокой чувствительностью, линейностью градуировочных графиков и по своим технико-метрологическим параметрам не уступают лучшим отечественным и зарубежным образцам. При измерении контактных давлений был использован метод установки фундаментов-штампов на слой жесткого цементно-песчаного раствора. При измерении напряжений в основании была использована методика вдавливания датчиков в основание из шурфа, отрытого рядом с местом установки фундаментов-штампов. Используемая методика обеспечивала неразрывный контакт вдавливаемых месдоз и марок с грунтом основания.
Грунты основания (лессовые суглинки природной влажности) имели следующие физико-механические характеристики: естественная влажность W = 13,8 %; плотность грунта р = 1,7 г/см3; плотность частиц грунта ps = 2,71 г/см3; плотность скелета грунта pd = 1,50 г/см3; коэффициент пористости е = 0,79; коэффициент водонасыщения Sr = 0,47-0,5; число пластичности Ip = 13,5 %; показатель текучести JL = 0-0,18; угол внутреннего трения ф = 24°; удельное сцепление С = 25 кПа; штамповый модуль деформации Е = 9,7 МПа.
В экспериментальных исследованиях на глинистых грунтах природной влажности (маловлажных) были получены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений в основании фундаментов-штампов, которые сопоставлялись с данными расчета (рис. 1 и 2).
Сопоставление показало, что для глинистых грунтов природной влажности (маловлажных) при давлении до 200 кПа, которое не превышает расчетного сопротивления R грунтов основания [5], контактные давления, вертикальные напряжения и перемещения в основании жестких фундаментов-штампов можно моделировать с достаточной для инженерных расчетов точностью (10-30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона - Мора.
В работе С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова [3] приведены результаты распределения вертикальных напряжений в глинистом грунте (супесь пластичная) в околосвайном пространстве. В опытах использовались железобетонные призматические сваи сечением 30^30 см и длиной 3 м. Нагружение свай осуществлялось с помощью специальной установки. Пригрузочные платформы установки находились на расстоянии 3 м от испытуемой сваи. Это делалось для того, чтобы исключить влияние внешнего давления от установки на напряженное состояние грунта вокруг сваи. Для измерения вертикальных напряжений в грунте вокруг сваи были использованы месдозы (датчики) с гидравлическим преобразователем [4]. В грунте бурились горизонтальные скважины (из шурфа) на заданном расстоянии друг от друга. Затем при помощи специального приспособления месдозы вдавливались через скважины в грунт естественного сложения (ненарушенной структуры). Скважины далее тампонировались грунтом (песок мелкий) и снимались начальные отсчеты.
D = 1 120 мм
P, кПа
/УУУ.
P = 20 кПа
P= 100 кПа
P = 200 кПа
Рис. 1. Результаты распределения контактных давлений по подошве жестких фундаментов-штампов на лессовых суглинках природной влажности:
I - результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
Опытная площадка для исследования напряженного состояния грунта вокруг сваи была расположена в г. Ачинске и до глубины 6 м от поверхности сложена однородной супесью пластичной со следующими физикомеханическими характеристиками: плотность грунта р = 1,65 г/см3; плотность частиц грунта рх = 2,70 г/см3; число пластичности Jp = 7 %; показатель текучести 1Ь = 0,6; угол внутреннего трения ф = 18-20°; удельное сцепление С = 20 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа. Нагрузка на сваю составляла Р = 110 кН.
0,5D - 560 мм
R/D
7JD
Рис. 2. Результаты распределения вертикальных перемещений в лессовых суглинках природной влажности:
1 - результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
В экспериментах были получены результаты распределения вертикальных напряжений в основании ниже острия сваи, которые были сопоставлены с данными моделирования по ПК PLAXIS 3D Foundation (рис. 3). Сопоставление показало, что для глинистых грунтов (супесь пластичная) при нагрузке на сваю до 110 кН, значение которой меньше предельной, вертикальные напряжения в основании ниже острия сваи можно также моделировать с достаточной точностью (10-30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона - Мора.
P = 110 кП
-3,000
-3,400
-3,600
-3,800
-4,000
It
і —
I I
\_______
0,18 МПа 0,13 МПа
0,12 МПа 0,1 МПа
0,05 МПа 0,03 МПа
0,04 МПа 0,02 МПа
az, м
Рис. 3. Результаты распределения вертикальных напряжений ниже острия сваи:
I - результаты натурных опытов (данные С.В. Ющубе и др.) [3]; 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
Таким образом, анализ представленных результатов натурных опытов и результатов расчета показывает возможность использования ПК PLAXIS 3D Foundation для моделирования процессов взаимодействия фундаментов мелкого заложения и свайных с грунтом основания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 7. - Санкт-Петербург : ПИП-Информатика, 2004. - 274 с.
2. Полищук, А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий / А.И. Полищук. - 3-е изд., доп. - Портхэмптон : STT; Томск: STT, 2007. - 476 с.
3. Ющубе, С.В. Результаты полевых исследований напряженного состояния грунта вокруг забивных коротких свай / С.В. Ющубе, П.С. Рязанов // Исследования по строительным конструкциям и фундаментам. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1980. - С. 118-122.
4. Баранов, Д.С. Тензометрическая месдоза ЦПИИСК с гидравлическим преобразователем, совершенствование ее конструкции и технологии изготовления / Д.С. Баранов // Тензо-метрические приборы для исследования строительных конструкций. - М. : Стройиздат, 1971. - С. 4-20.
СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. - Москва, 1995. - 40 с.
References
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Rukovodstvo pol'zovatelja. Versija 7. - Sankt-Peterburg : NIP-Informatika, 2004. - 274 p.
2. PolishhukA.I. Osnovy proektirovanija i ustrojstva fundamentovrekonstruiruemyh zdanij [Principles of design and installation of foundations of reconstructed buildings.]. - 3-e izd., dop. -Northjempton : STT; Tomsk : STT, 2007. - 476 p.
3. Jushhube S.V., Rjazanov N.S. Rezul'taty polevyh issledovanij naprjazhennogo sostojanija grunta vokrug zabivnyh korotkih svaj [The results of field studies of stress state of soil around the short precast piles] // Issledovanija po stroitel'nym konstrukcijam i fundamentam. -Tomsk : Izd-vo Tom. un-ta [TGU Publ.], 1980. - P. 118-122.
4. Baranov D.S. Tenzometricheskaja mesdoza CNIISK s gidravlicheskim preobrazovatelem, sovershenstvovanie ee konstrukcii i tehnologii izgotovlenija [Tensometric load cells CNIISK with hydraulic converter, improving its design and production technology] // Tenzometriches-kie pribory dlja issledovanija stroitel'nyh konstrukcij [Strain gauge instruments for inspection of building structures]. - Moscow : Strojizdat, 1971. - P. 4-20.
5. SNiP 2.02.01-83* [Construction norms and rules 2.02.01-83] Osnovanija zdanij i sooruzhenij [Foundations of buildings and structures]. - Moscow, 1995. - 40 p.
