CC BY
9
УДК [624.04:624.131.5]:004.94
Г. е. ГУСЛИСТА (ПДАБА, Дшпропетровськ), Д. О. БАННЖОВ (ДПТ)
ТЕСТУВАННЯ МЕТОДИКИ СП1ЛЬНОГО СТАТИЧНОГО РОЗРАХУНКУ СИСТЕМИ «СПОРУДА - ГРУНТОВИЙ МАСИВ»
За результатами розв'язання тестових задач встановлюеться можливкть застосування розроблено! методики спшьного статичного розрахунку напружено-деформованого стану системи «споруда - грунтовий масив». В якосл тестових були прийняп задач1 розрахунку безанкерно! шпунтово! стшки, а також зал1зобе-тонно! балки на грунтовш основа
Ключовi слова: методика, шпунтова стшка, зал1зобетонна балка, грунтова основа
По результатам решения тестовых задач устанавливается возможность использования разработанной методики совместного статического расчета напряженно-деформированного состояния системы «сооружение - грунтовый массив». В качестве тестовых были приняты задачи расчета безанкерной шпунтовой стенки, а также железобетонной балки на грунтовом основании.
Ключевые слова: методика, шпунтовая стенка, железобетонная балка, грунтовое основание
The numerical simulation methodology of the process of interaction between structures and soil massif has been developed. The main feature of this static analysis technique is consideration the structure and soil massif as unified system "structure - soil massif'. The verification of this technique has been conducted. The static analysis of sheet-pile walls without anchors and reinforced beams on soil foundation was taken as verify tests.
Keywords: methodology, cutoff wall, reinforced beams, soil foundation
Постановка проблеми
До останнього часу розрахунок споруди з урахуванням !! спшьно! роботи з грунтовым ма-сивом застосовувався переважно тшьки для за-глиблених, натвзаглиблених буд1вель та т-дземних споруд, яю контактують з грунтом бь льшютю сво!х огороджувальних конструкцш. Але ж анал1з остантх дослщжень та публшацш свщчить про те, що сьогодш все часпше такий спшьний розрахунок застосовують i при розрахунку звичайних наземних будiвель. При цьому споруда i грунтовий масив розглядаються як едина система, що дозволяе врахувати власну жорстюсть фундаментно! i надфундаментно! конструкцш та вплив !! на характер деформу-вання грунтового масиву [1, 2]. При розрахунку системи «споруда - грунтовий масив» можна виявити бшьш достовiрний розподш внутрш-нiх зусиль в конструктивних елементах споруди i таким чином досягти суттево! економи бу-дiвельних матерiалiв. Крiм цього, необхщшсть розрахунку напружено-деформованого стану конструкцiй, якi взаемодiють з грунтом, як едино! системи «споруда - грунтовий масив» ви-значаеться тим, що такий шдхщ на вiдмiну вщ традицiйного (що грунтуеться на застосуванш певних контактних моделей грунту) дозволяе отримати змiстовнiшi та точнiшi результати, оскшьки враховуе бiльшу кiлькiсть факторiв (зокрема, фiзико-механiчнi властивостi грунту, в тому чи^ нелiнiйнi, врахування роботи гру-
нту поза межами конструкци, вплив розташо-ваних поблизу будiвель i т. iн.) [3].
В результат вивчення цих останнiх тенден-цiй в розрахунку споруд, що взаемоддать з грунтом, аналiзу науково! лiтератури та власних дослщжень авторiв було запропоновано методику спшьного статичного розрахунку напру-жено-деформованого стану системи «споруда -грунтовий масив» [4, 5], яка мiж iншим включала в себе рекомендаци щодо створення скш-чено-елементно! моделi системи «споруда -грунтовий масив» для розрахунку в будь-якому з сучасних обчислювальних комплексiв (SCAD, Л1РА або iншi).
Мета дослiджень
На основi результатiв розрахунку тестових задач довести правомiрнiсть застосування методики спшьного статичного розрахунку на-пружено-деформованого стану системи «спо-руда - грунтовий масив».
Викладення основного матерiалу дослiджень
Найпростiшими прикладами застосування методики спшьного статичного розрахунку системи «споруда - грунтовий масив» е розрахун-ки безанкерних шпунтових стшок та балок на грунтовш основi.
Розрахунок безанкерног шпунтовог стшки. Дослщженням шпунтових стiнок присвячеш
© Гуслиста Г. е., Баншков Д. О., 2012
роботи багатьох вчених [6-11]. Анашз результат цих дослiджень показав, що в бiльшостi випадкiв данi експериментальних дослiджень заперечують теоретичнi розрахунки, зокрема, розрахунки за теорiею Кулона [12]. Теорiею передбачаеться, що пiд впливом активного тис-ку грунту стшка повертаеться вiдносно неру-хомо! точки, що розташована на певнiй глибиш
нижче дна котловану. Стiйкiсть стшки забезпе-чуеться внаслiдок врiвноваження активного та пасивного тисюв грунту з рiзних И бокiв. Але ж експериментально доведено, що фактична епю-ра тиску грунту вiдрiзняеться вщ епюри, прийнято! в iнженерних розрахунках (рис. 1) [13].
Рис.1. Робота безанкерно! шпунтово! стшки: а) сили, що дшть на стшку; б) фактична епюра тиску грунту; в) теоретична епюра тиску грунту, прийнята в розрахунках; 1 - активний тиск; 2 - пасивний тиск; 3 - граничний активний тиск; 4 - граничний пасивний тиск
Також результати проведених дослщжень свщчать про те, що зусилля в шпунтовш стшщ, отримаш теоретичними методами значно пере-вищують фактичш В лiтературi вказуеться на те, що в бшьшосл випадюв причиною надшно-стi зведених конструкцп слугувала не достовiр-нiсть розрахункових схем, а нехтування цiлим рядом факторiв, що пiдвищують несучу здат-нють споруди. Серед основних причин, що зу-мовлюють невiдповiднiсть результатiв, отри-маних теоретичними методами, фактичним, слщ видiлити такi: довiльний розрахунок шпу-
нта тшьки на дiю активного тиску грунту без урахування напружень вщ змщення системи; неврахування гнучкост системи, яка залежить вiд деформативних характеристик контактую-чих середовищ; неврахування роботи середо-вищ в граничних станах та ш.
З використанням запропоновано! методики в програмному комплекс (ПК) Л1РА було ви-конано розрахунок безанкерно! шпунтово! сть нки прямокутного перерiзу. Розрахункова схема стшки та 11 скiнчено-елементна модель представлен на рис. 2.
Рис. 2. Розрахункова схема та скшчено-елементна модель безанкерно! шпунтово! стшки
Характеристики грунту: модуль деформаци Е = 20000 кН/м2; коефiцiент Пуассона у= 0,35; питома вага р = 18 кН/м3; кут внут-рiшнього тертя ф = 25°.
Характеристики матерiалу шпунтово! стш-ки: модуль деформаци Е = 27000000 кН/м2; питома вага р = 25 кН/м3.
Навантаження - власна вага грунту та конструкций
На рис. 3 представлеш епюри активного та пасивного тисюв для дано! шпунтово! стшки, побудоваш на основi даних розрахунюв рiзни-ми методами:
1) методом комп'ютерного моделювання в ПК «Л1ра» за методикою спшьного статичного розрахунку системи «споруда - грунтовий ма-сив»;
Рис. 3. Епюри активного та пасивного тисюв для безанкерно! шпунтово! стшки, отриманi рiзними методами
2) методом Ш. Кулона [12];
3) методом теорп гранично! рiвноваги В. В. Соколовського [6].
Аналiз отриманих епюр свiдчить про те, що в бшьшост точок рiзниця не перевищуе 10...15 %. Крiм того, слщ зазначити, що конф> гурацiя епюр, отриманих при комп'ютерному моделюваннi за методикою спшьного статичного розрахунку системи «споруда - грунтовий масив», на глибинi значно вiдрiзняeться вщ прийнятих в теоретичних розрахунках, але при цьому бiльш вiдповiдаe фактичним епюрам ти-ску грунту, отриманим з експериментальних дослiджень та приведеним на рис. 1.
Розрахунок балки на грунтов1й основ1.
З метою перевiрки придатносп розроблено! методики спшьного статичного розрахунку на-пружено-деформованого стану системи «спо-руда - грунтовий масив» для розв'язання задачi взаемодп залiзобетонно! конструкцп з грунто-вим масивом з урахуванням фiзичноl нелшш-ностi залiзобетону було розглянуто таку тесто-ву задачу: розрахунок залiзобетонноl балки на пружнш грунтовiй основi (Е0 = 100 МПа). Розрахунок було виконано в лшшнш та нелшшнш (з урахуванням фiзичноl нелiнiйностi залiзобе-тону) [14] постановках. Прогiн балки 6 м, пере-рiз прямокутний висотою 50 см та шириною 80 см. Балка виготовлена з бетону класу В20 i армована ненапружуваною арматурою класу А400С з дiаметром стрижшв 20 мм. Площа роз-тягнуто! арматури = 25,12 см2 (8020), площа верхньо! арматури 12,56 см2 (4020). Робоча висота перерiзу И0 = 46,5 см. Мiцнiснi та дефо-рмативнi властивостi матерiалiв вщповщають нормам. Розрахунок було виконано на дда зо-середжено! сили в середиш прогону балки. Ре-
зультати розрахунку балки за пропонованою методикою в ПК Л1РА приведенi на рис. 4. Та-кож на рис. 4 приведет результата розрахунку ще! ж балки методом Горбунова-Посадова [15]. Порiвняння результатiв свiдчить про те, що ма-ксимальнi значення згинальних моментiв та прогинiв балки при розрахунку як в лшшнш, так i в нелшшнш постановщ вiдрiзняються не бiльше шж на 6 %. Отже, запропонована методика може бути використана при розрахунку залiзобетонних конструкцiй, що взаемодiють з грунтом, з урахуванням фiзично! нелшшност залiзобетону.
Висновки та перспективи подальших дослiджень
За результатами розв'язання тестових задач було зроблено такi висновки:
1. Рiзниця в результатах розрахунку безанкерно! шпунтово! стшки, отриманих при засто-суванш методики спшьного статичного роз-рахунку напружено-деформованого стану системи «споруда - грунтовий масив», а та-кож отриманих методами Ш. Кулона та В. В. Соколовського не перевищуе 15 %. Крiм того, результати розрахунку за пропонованою методикою е бшьш близькими до фактичних, визначених з експериментальних дослщжень.
2. Максимальш значення згинальних моменпв та прогишв балки при розрахунку як в л> ншнш, так i в нелшшнш постановщ вiдрiз-няються не бшьше шж на 6 %.
3. Пропонована методика спшьного статичного розрахунку напружено-деформованого стану системи «споруда - грунтовий масив» може бути застосована при розрахунку кон-струкцш, що взаемоддать з грунтом.
0
1
1 -100
I
1
1 -200 >5
£ Л
| -300 £
-400 -500
—Ф—ПК Л1РА (нелiн. розрахунок) —д—Горбунов-Посадов (нелi н. розрахунок) ---♦■-- ПК Л1РА (лi н. розрахунок) ---А--- Горбунов-Посадов (лн розрахунок)
Рис. 4. Тестова задача: розрахунок залiзобетонноl балки на грунтовш основi
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
1. Напружено-деформований стан пальового фундаменту висотно! каркасно! будiвлi з урахуван-ням спшьно! роботи з грунтовим масивом [Текст]: зб. наук. праць у 2 т. Т. 1. / I. П. Бойко, В. В. Жук, О. С. Сахаров, М. В. Коршенко // Бу-дiвельнi конструкци: Мiжвiдомчий науково-техн. збiрник. - Вип. № 61: Мехашка грунпв, геотехнiка, фундаментобудування. - К.: НД1БК, 2004. - С. 19-22.
2. Лучковский, И. Я. Учет жесткости фундамента при оценке расчетного сопротивления грунта [Текст]: зб. наук. праць у 2 т. Т. 1 / И. Я. Лучковский // Будiвельнi конструкци: мiжвiдомчий науково-техн. збiрник. - Вип. № 61: Мехашка грунпв, геотехшка, фундаментобудування. - К.: НД1БК, 2004. - С. 362-369.
3. Яременко, А. Ф. Расчет железобетонных балок на упругом основании с использованием полных диаграмм деформирования материалов [Текст] / А. Ф. Яременко, Н. Н. Сорока // Ползучесть в конструкциях: сб. науч. тр. / Одесская гос. академия стр-ва и архит. - Одеса, 1998. -С. 114-119.
4. Гуслиста, Г. Е. Особливосп статичного розрахунку будiвель та споруд, розташованих на схи-лах [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01 / Гуслиста Ганна Едуардiвна. - Д., 2008. - 148 с.
5. Гуслиста, Г. Е. Методика спшьного статичного розрахунку системи «споруда - грунтовий масив» для будiвель, розташованих на схилах [Текст] / Г. Е. Гуслиста // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. науч. тр. Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - 2010. - Вып. № 56: Инновационные технологии жизненного
цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения. - Д.: ПГАСА, 2010. - С. 128-137.
6. Соколовский, В. В. Статика сыпучей среды. [Текст] / В. В. Соколовский - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Физматгиз, 1960. - 243 с.
7. Лазебник, Г. Е. Давление грунта на сооружения (Разработка аппаратуры и проверка методик экспериментального определения давления. Результаты опытных исследований. Рекомендации для расчетов) [Текст] / Г. Е. Лазерник - К., 2005. - 243 с.
8. Ренгач, В. Н. Шпунтовые стенки (Расчет и проектирование) [Текст] / В. Н. Ренгач - Л.: Строй-издат, 1970. - 112 с.
9. Будин, А. Я. Тонкие подпорные стенки [Текст] / А. Я. Будин - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1974. - 191 с.
10. Емельянов, Л. М. Расчет подпорных сооружений [Текст]: справочное пособие / Л. М. Емельянов - М.: Стройиздат, 1987. - 288 с.
11. Снитко, Н. К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок [Текст] / Н. К. Снитко - 2-е изд., перераб. - М.: Стройиздат, 1970. - 207 с.
12. Далматов, Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (Включая спец. курс инж. геологии) [Текст]: учебн. для вузов по спец. «Пром. и гражд. стр-во» / Б. И. Далматов - 2-е изд., перераб. и доп. - Л., 1988. - 414 с.
13. Механика грунтов, основания и фундаменты [Текст]: учебн. пособие для студ. вузов / С. Б. Ухов, В. В. Семенов, В. В. Знаменский и др., под ред. С. Б. Ухова. - М.: Изд-во АСВ, 1994. - 527 с.
14. Гуслиста, Г. Е. Дослщження нелшшно! поведш-ки системи «споруда - грунтовий масив» при розрахунку залiзобетонних конструкцш, що вза-емодють з грунтом [Текст]: зб. наук. праць у 2 кн. Кн. 1 / Г. Е. Гуслиста // Будiвельнi конструкци: Мiжвiдомчий науково-техн. збiрник. - Вип. № 74: Науково-техшчш проблеми сучасного за-лiзобетону - К.: ДП НД1БК, 2011. - С. 480-487.
15. Горбунов-Посадов, М. И. Расчет конструкций на упругом основании [Текст] / М. И. Горбунов-Посадов, Т. А. Маликова, В. И. Соломин - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. -679 с.
Поступила в редколлегию 20.06.2011.
Принята к печати 30.06.2011.
