CC BY
19Влияние процесса водопонижения на развитие сил отрицательного трения по боковой поверхности сваи
сч сч о сч
о ш Ш X
<
m о х
X
Знаменский Владимир Валерианович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Механики грунтов и геотехники», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Geosts@yandex.ru
Ле Тхюй Зыонг
аспирант кафедры "Механика грунтов и геотехника", ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет", duongthuy4192@gmail.com
В статье приводятся результаты первого этапа исследований численным методом закономерностей развития отрицательных сил трения по боковой поверхности одиночной сваи, вызванных понижением уровня подземных вод. Исследования проведены на двухмерной модели с использованием программного комплекса PLAXIS 2D. Приводятся графики, позволяющие визуально оценить влияние водопонижения на развитие сил отрицательного трения по боковой поверхности сваи, распределение осевых усилий по ее длине, их максимальные значения, а также максимальные смещения грунта относительно сваи на различных этапах понижения уровня подземных вод. Расчеты выполнены с учетом сжатия ствола сваи. Ключевые слова: численное моделирование, отрицательные силы трения, свая, уровень подземных вод, водопонижения, нейтральная плоскость, слабый грунт, осевое усилие.
Введение
Уплотнение грунтов, вызванное увеличением их объемного веса вследствие снятием взвешивающего действия воды в результате понижения уровня грунтовых вод после их откачки для нужд городского хозяйства или промышленных предприятий, сопровождается, как правило, дополнительными осадками существующей застройки, во многих случаях превышающих допускаемые значения, что требует значительных затрат на ее ремонт и приведение в нормальное эксплуатационное состояние. Известны случаи и разрушения существующих построек в зоне водопонижения. В случае свайных фундаментов, прорезающих толщу слабых грунтов, негативное влияние понижения уровня подземных вод на их работу реализуется через развитие сил отрицательного трения по боковым поверхностям свай, на что обращал внимание еще много лет назад К. Турцаги, 1960.
Отрицательные силы трения, создающее дополнительную нагрузку на сваю, является следствием оседания грунта вокруг сваи, которое, наряду с водопониже-нием, может быть вызвано и рядом других причин, таких как планировка строительных площадок путем подсыпки, нагружение поверхности грунта длительно действующими полезными нагрузками (складские помещения, зернохранилища и др.), пригружение слабых грунтов временными подсыпками при ремонте дорожных покрытий, динамические воздействия на грунт тяжелого транспорта и промышленных установок и т.п.
Особенностям развития сил отрицательного трения по боковым поверхностям свай, его оценке и учету при проектировании свайных фундаментов посвящен ряд отечественных и зарубежных работ ( Zeevert 1959, Тер-цаги 1961, Далматов и др 1975, Maugeri, et.al 1997, Leung, et al 2004, Chen, et al 2009, Lam, et al 2009, Lee, et al 2010, Фадеев 2012, Тер-Мартиросян и др 2012, Lv et al 2016, Lv et al 2017, Акопян и др 2018, Znamenskii and Hegazy 2019 ), подавляющее большинство которых рассматривало отрицательное трение как результат оседания грунтового массива под действием пригрузки его поверхности. В такой постановке этот вопрос наиболее полно изучен в Ленинградском инженерно-строительном институте (Далматов Б.И. и др., 1975), а разработанный на основе проведенных исследований инженерный метод учета сил отрицательного трения, вызванных пригрузкой поверхности грунтового массива, позволил с достаточной для практических целей точностью выполнять расчеты несущей способности и осадки свай.
В настоящей статье изложены результаты первого этапа исследования развития сил отрицательного трения по боковым поверхностям свай, вызванных понижением уровня подземных вод. Необходимость изучения этого вопроса вызвана тем, что во многих прибрежных районах городов, в частности г. Ханоя (Вьетнам), характеризующихся распространением залегающей с поверхности большой толщи слабых водонасыщенных грунтов,
интенсивно развивается городское строительство с возведением многоэтажных зданий на сваях. Одновременно с этим развитие городского хозяйства и коммерческая деятельность предприятий постоянно требует откачек больших объемов пресной воды, что приводит к существенному понижению уровня подземных вод. Сваи, расположенные на этой территории, подвергаются воздействию отрицательных сил трения, которые увеличивают нагрузку на них и вызывают дополнительную, в ряде случаев катастрофическую осадку возведенных зданий и сооружений.
Материалы и методы
Исследование влияния водопонижения на развитие сил отрицательного трения по боковой поверхности буровой одиночной сваи выполнялось численным методом на двухмерной модели с использованием ПК Plaxis 2D Расчетная схема задачи показана на рис. 1, разбивка конечно-элементной сетки и граничные условия (закрепленные опоры с боковых сторон и снизу расчетной области) на рис. 2.
Численная модель состояла из железобетонной буровой сваи длиной ив, диаметром йсв, помещенной в уплотняющийся в результате водопонижения слой слабой глины, равный по мощности длине сваи, подстилаемый слоем плотного песка мощностью 0,8 ив.
Слабая глина и песок моделировались моделью На^ептд^оН, буровая свая - линейно-упругим материалом в соответствие с моделью Мора-Кулона. Для имитации сил трения по боковой поверхностью сваи устанавливался контактный элемент в соответствии с моделью Мора-Кулона, как показано на рис. 3. Предельное смещение контактного элемента принималось равным усг = 5 мм, а коэффициент трения р = 0,32.
Границы модели: ширина 25 м, высота 1,8 ив.
начальный УГВ
- Глина-
777-777-777-777"
25.0 м
"777
, УГВ поле -водопонижения
Рис 1. Расчетная схема
А А д
Рис 2. 2D схема конечно-элементной модели, граничные условия
Coefficient of friction, ц=0.32 in this study
I (shear stress)
Slip,T>pxoh
Interface properties
^y (displacment)
Where, ohisthe normal horizontal effective pressure
Pue 3. Взаимодействия между сваей и грунтом (Lee, 2010)
Расчетные характеристики грунтов и материала сваи приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Глина Песок Свая
Модель Hardening-soil Hardening-soil Мора-Кулона
Y„„.,at (КН/М3) 16 19.5 25
Y sat. (КН/М3) 16.5 20 -
E (кН/м2) - - 3х107
Eo (кН/м2) 8 х 103 20 х 103 -
E50 (кН/м2) 8 х 103 20 х 103 -
Eoed (КН/м2) 8 х 103 20 х 103 -
Eur (кН/м2) 24 х 103 60 х 103 -
eo 0.6 0.5 -
и 0.35 0.3 0.2
с' 40 2 -
<р' 14 38 -
Примечание: Секущий модуль деформации E50 принят равным модулю деформации Ео, модуль деформации при разгрузке Eur=3Eeo, касательный модуль первичной компрессии Eoed = Е50 (Фадеев, А.Б. 2012).
Начальный уровень воды задавался у поверхности грунта и последовательно понижался на глубину, составляющую (0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0) Las. , далее на глубинах -3м, -6м, -9м, -12м, -15м.
Варианты расчета:
- длина сваи - Las = 15; 17,5; 20 м;
- диаметр сваи - Das = 0,6, 0,8, 1,0 м;
Расчеты выполнялись для ненагруженной сваи с учетом сжатия ее ствола.
Результаты и обсуждение
Механизм возникновения отрицательного трения по боковой поверхности сваи в случае водопонижения тот же, что и при пригрузке поверхности грунтового массива и является следствием смещением оседающего грунта Sгр относительно сваи Sas. На участке от поверхности до глубины zo, где Sгр > Sas, действует трение, направленное вниз и создающим дополнительную нагрузку на сваю. Такое трение принято назвать отрицательным или негативным трением. Глубина z0, на которой относительное перемещение сваи и грунта отсутствует (Sгр = Sce.), а потому трение между ними равно нулю, называется нулевой или нейтральной точкой (НТ). На существование такой точки впервые обратил внимание К.Терцаги. Ниже z0, где Sгр < Sas, действует положительное трение, поддерживающее сваю в грунте.
На рис. 4 на примере сваи длиной 17,5 м, диаметром 0,8 м показаны полученные выполненными расчетами графики изменения относительных смещений свая -
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О M
to
сч сч
0
сч ^
01
о ш т
X
<
т О X X
грунт вдоль ствола сваи в зависимости от нормализованной глубины г/Ьв для различных значений нормализованной глубины водопонижения ЛиЛ, а на рис. 5 эпюры распределения сил трения по боковой поверхности сваи (а) и продольных усилий по ее длине (б).
Очевидно, что смещение грунта относительно сваи интенсивно снижается с глубиной, особенно в пределах первой половине ее длины. Это характерно для любой глубины водопонижения, но разница между смещениями грунта и сваи на одном и том же уровне уменьшается по мере ее увеличения. Это объясняется тем, что по мере откачки воды мощность сжимаемого слоя грунта на участке сваи ниже отметки водопонижения, подстилаемая песчаным грунтов со значительно более высокими деформационными характеристиками, существенно уменьшается.
-2-101234
5<гр)-3(с 5 6 7
1) (см)
8 9
10 11 12 13 14 15 16
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,3 -/ Ьсв = 0,4
0,6 Ьш/Ьсв = 0,6
0,7
-Ьсв = 0,8
0,8
0,9 У 1Ш71.СБ— 1
1,0*
Рис 4. Изменение относительных смещений свая-грунтвдоль ствола сваи (Ьсв = 17,5м; йсв = 0,8м)
рассматривавшим оседание грунтовой толщи, вызванной пригрузкой ее поверхности.
Нулевые точки, полученные в выполненных для разных уровней водопонижения расчетах, в рассмотренных грунтовых условиях относительно компактно расположены в нижней трети сваи, однако надо отметить, что их расположение зависит от многих причин, основными из которых при одном и том же уровне водопонижения являются характеристики сжимаемости грунта вдоль боковой поверхности сваи и в основании ее нижнего конца, что требует проведения более детальных исследований.
На рис. 6 показаны графики зависимости расположения нулевой точки го от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод Лщ/исв для различных диаметров свай. Согласно этим графикам нулевая точка снижается практически пропорционально изменению уровня подземных вод для всех диаметров свай, но будет расположена тем выше, чем больше диаметр сваи.
Рис 6. Графики зависимости расположения нулевой точки го от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод Ли^св для различных диаметров свай
Рис 5. Распределение сил трения по боковой поверхности сваи (а) и продольных усилий по ее длине (б) (Ьсв = 17,5м; йсв = 0,8м)
Эпюры распределение сил трения по боковой поверхности сваи и продольных усилий по ее длине соответствуют описанному выше механизму взаимодействия сваи с оседающей по той или иной причине грунтовой толщи. Эпюры идентичны описанным Далмато-вым Б.И., Лапшиным Ф.К. и Россихиным Ю.В. (1975),
Рис 7. Графики зависимости нагрузки на нижний конец сваи Ми от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод Ли/Ьсв для различных диаметров свай
На рис. 7 показаны графики зависимости нагрузки на нижний конец сваи N от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод ЬщАсв для различных диаметров свай. Согласно этим графикам нагрузка на нижний конец сваи также практически пропорциональна изменению уровня подземных вод, но буде тем больше, чем меньше диаметр сваи. Аналогичный результат получен и для максимального продольного усилия Nmax, что видно из графиков на рис 8.
Рис 8. Графики зависимости максимального продольного усилия Nmax от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод Ь„^св для различных диаметров свай
Таблица 2.
Характеристики сваи U= (Fd - Fd*) / Fd (%) при hw / L-св
0,2 0,4 0,6 0,8 1
Lсв= 20м 0св=1,0м 4,03 6,67 8,52 9,72 10,13
0св=0,8м 5,03 8,24 10,45 11,43 12,41
0св=0,6м 6,27 10,30 13,15 14,93 15,71
Lсв= 17,5м 0св=1,0м 3,54 5,94 7,54 8,61 8,96
0св=0,8м 4,32 7,20 9,20 10,57 10,97
0св=0,6м 5,47 9,09 11,70 13,26 13,96
Lсв= 15м 0св=1,0м 2,98 4,93 6,23 7,24 7,58
0св=0,8м 3,68 6,14 7,84 9,04 9,42
0св=0,6м 4,69 7,84 10,00 11,61 12,15
Рис 10. Зависимость и от нормализованной глубины понижения уровня подземных вод Ь^св для различных диаметров свай
Закпючение
Выполненные расчеты подтвердили целесообразность учета возможного понижения уровня подземных вод при проектировании свайных фундаментов в слабых водонасыщенных грунтах. Отрицательные силы трения, развивающиеся на боковых поверхностях свай в результате оседания вызванного откачкой воды грунта, догружают сваю, что приводит к необходимости снижать передаваемую на нее проектную нагрузку. В проведенных расчетах это снижение составило до 17% от несущей способности сваи без учета сил отрицательного трения, но может, в зависимости от грунтовых условий, быть существенно большим.
Применение численных методов значительно расширяет возможность оценки сил отрицательного трения, поскольку, как отмечал еще Б.И.Далматов, вследствие большого числа факторов, влияющих на их развитие, а также характерная для слабых грунтов значительная неоднородность их сложения существенно затрудняют разработку «строгих» решений и снижают их точность.
Установленные в результате проведенных исследований закономерности развития сил отрицательного трения по боковым поверхностям свай, вызванных понижением уровня подземных вод, и их зависимость от длины и диаметра свай, не противоречат имеющимся опытным данным и могут быть основой для дальнейшего более детального изучения этого вопроса.
Литература
1. Zeevaert, L. 1959. "Reduction of point bearing capacity of piles because of negative skin friction." Proceedings of 1st Pan- American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engi-neering, Mexico, 3, 11451152.
2. Терцаги, К. 1961. Теория механики грунтов. // Москва. Стройиздат. С 506.
3. Далматов, Б.И., Лапшин, Ф.К. и Россихин Ю.В. 1975. Проектирование свайных фундаментов в условиях слабых грунтов // Москва. Стройиздат. С 240.
4. Maugeri, M., F. Castelli, and Motta. E. 1997. Settlement of a piled foundation due to negative skin friction: a case history. 14th ICSMFE. Vol. 1111.
5. Leung, C. F., Liao, B. K., Chow, Y. K., Shen, R. F., and Kog, Y. C. 2004. Behavior of pile subject to negative skin friction and axial load. //Soils and Foundations, 44, 1726.
6. Chen, R. P., Zhou, W. H. and Chen, Y.M. 2009. Influences of soil consolidation and pile load on the development of negative skin friction of a pile. // Computers and Geotechnics 36.8 С 1265-1271.
7. Lam, S. Y., et al. 2009. Centrifuge and numerical modeling of axial load effects on piles in consolidating ground. // Canadian Geotechnical Journal 46.1. С 10-24.
8. Lee, JinHyung, Youngho Kim, and Sangseom Jeong. 2010. Three-dimensional analysis of bearing behavior of piled raft on soft clay. // Computers and Geotechnics 37. С 103-114.
9. Фадеев, А.Б. 2012. Параметры модели упрочняющегося грунта программа «Plaxis». // Численные методы расчетов в практической геотехнике. Сб. С 13.
10. Тер-Мартиросян, З. Г., Струнин, П. В., и Чинь Туан Вьет. 2012. Сжимаемость материала сваи при определении осадки в свайном фундаменте. // Жилищное строительство С 10.
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м м
11. Lv, Yaru, et al. 2016. Comparative study of Y-shaped and circular floating piles in consolidating clay. // Canadian Geotechnical Journal 53.9. С 1483-1494.
12. Lv, Yaru, et al. 2017. Mechanism of Downdrag for Floating H-Pile Subjected to Surcharge. //Soil Mechanics & Foundation Engineering 54.2.
13. Lv, Y. R., et al. 2017. Geometric Effects on Piles in Consolidating Ground: Centrifuge and Numerical Modeling. //Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering С 143.
14. Акопян, В.Ф., Кондрик, И.В. и Самсонов, О.В. 2018. Моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта. // Инженерный вестник Дона №1 С 48.
15. Znamenskii, V. V., and Hegazy, O.M. 2019. A comparative study of ordinary piles and superlong piles in consolidating soil. //Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1425. No. 1.
16. Manual, ABAQus User. 2017. Dassault Systems Simulia Corporation." Providence USA.
Influence of the dewatering process on the development of negative
friction forces along the side surface of the pile Znamenskiy V.V., Le T.D.
Moscow State University of Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
The article presents the results of the first stage of research using a numerical method on the patterns of development of negative friction forces along the side surface of a single pile, caused by a decrease in the level of groundwater. The studies were carried out on a two-dimensional model using the PLAXIS 2D software package. Graphs are given that allow visually assessing the effect of dewatering on the development of negative friction forces along the side surface of the pile, the distribution of axial forces along its length, their maximum values, as well as the maximum displacement of the soil relative to the pile at various stages of lowering the groundwater level. The calculations are made taking into account the compression of the pile shaft.
Key words: numerical simulation, negative friction forces, pile, groundwater level, drawdown, neutral plane, soft ground, axial force.
References
1. Zeevaert, L. 1959. "Reduction of point bearing capacity of piles because of
negative skin friction." Proceedings of 1st Pan-American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engi-neering, Mexico, 3, 1145-1152.
2. Terzaghi, K. 1961. Theory of soil mechanics. // Moscow. Stroyizdat. From
506.
3. Dalmatov, B.I., Lapshin, F.K. and Rossikhin Yu.V. 1975. Design of pile
foundations in conditions of weak soils // Moscow. Stroyizdat. From 240.
4. Maugeri, M., F. Castelli, and Motta. E. 1997. Settlement of a piled
foundation due to negative skin friction: a case history. 14th ICSFE. Vol. 1111.
5. Leung, C. F., Liao, B. K., Chow, Y. K., Shen, R. F., and Kog, Y. C. 2004.
Behavior of pile subject to negative skin friction and axial load. //Soils and Foundations, 44, 17-26.
6. Chen, R. P., Zhou, W. H. and Chen, Y. M. 2009. Influences of soil
consolidation and pile load on the development of negative skin friction of a pile. // Computers and Geotechnics 36.8 C 1265-1271.
7. Lam, S. Y., et al. 2009. Centrifuge and numerical modeling of axial load
effects on piles in consolidating ground. // Canadian Geotechnical Journal 46.1. From 10-24.
8. Lee, JinHyung, Youngho Kim, and Sangseom Jeong. 2010. Three-
dimensional analysis of bearing behavior of piled raft on soft clay. // Computers and Geotechnics 37. P 103-114.
9. Fadeev, A.B. 2012. Parameters of the hardening soil model, the Plaxis
program. // Numerical methods of calculations in practical geotechnics. Sat. From 13.
10. Ter-Martirosyan, Z. G., Strunin, P. V., and Chinh Thuan Viet. 2012. Compressibility of pile material when determining settlement in a pile foundation. // Housing construction From 10.
11. Lv, Yaru, et al. 2016. Comparative study of Y-shaped and circular floating
piles in consolidating clay. // Canadian Geotechnical Journal 53.9. From 1483-1494.
12. Lv, Yaru, et al. 2017. Mechanism of Downdrag for Floating H-Pile Subjected to Surcharge. //Soil Mechanics & Foundation Engineering 54.2.
13. Lv, Y. R., et al. 2017. Geometric Effects on Piles in Consolidating Ground: Centrifuge and Numerical Modeling. //Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Since 143.
14. Akopyan, V.F., Kondrik, I.V. and Samsonov, O.V. 2018. Modeling of negative friction forces in the implementation of soil subsidence properties. // Engineering Herald of the Don #1 C 48.
15. Znamenskii, V.V., and Hegazy, O.M. 2019. A comparative study of ordinary piles and superlong piles in consolidating soil. //Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1425. No. one.
16. Manual, ABAQus User. 2017. Dassault Systems Simulia Corporation." Providence USA.
СЧ СЧ
о
СЧ
о ш m
X
<
m О X X
