CC BY
99
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.131.439.8:624.154 DOI: 10.22227/1997-0935.2020.5.655-664
Влияние разжижения грунтов на расчетную несущую способность сваи
А.З. Тер-Мартиросян1, Ле Дык Ань1, А.В. Манукян2
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУМГСУ); г. Москва, Россия; 2 ГК «Концерн МонАрх»; г. Москва, Россия
аннотация
Введение. Свайные фундаменты считаются одним из наиболее распространенных решений фундаментов при строительстве зданий и сооружений на слабых грунтах, в том числе в сейсмических районах. Однако при землетрясениях часто происходят специфические процессы, которые отрицательно влияют на взаимодействие свай с окружающим грунтом. Разжижение грунтов считается одной из самых сложных проблем в геотехнике. Под разжижением понимают процесс, при котором грунт теряет несущую способность и переходит в состояние тяжелой жидкости. Оценка влияния разжижения грунтов на расчетную несущую способность свай при сейсмических воздействиях является аспектом проектирования свайных фундаментов, который не до конца изучен.
Материалы и методы. При определении несущей способности свай использованы методики, изложенные в нор- ^ п
мативных документах. Предложена новая методика на основе гипотезы об отрицательном трении, действующем ® Ф
на сваю, возникающем после воздействия сейсмической волны и разжижения части грунтового массива. Предпо- n н
лагается, что при самостоятельном уплотнении грунт, окружающий сваю, тянет ее вниз за счет бокового трения, т.е. ^ |
на сваю действует дополнительная нагрузка, направленная вниз. _ к
Результаты. Рассмотрены различные расчетные случаи с учетом влияния разжижения грунтов на несущую способ- д S
ность сваи и без него при инженерно-геологических условиях в г. Хошимин (Вьетнам). W С
Выводы. Предложенная методика позволяет оценить снижение несущей способности сваи после разжижения грун- ч
тов. Дальнейшие исследования влияния разжижения на несущую способность сваи по грунту являются одними из ^
основных задач при проектировании зданий и сооружений в сейсмических районах с целью снижения риска ката- о S
строфических разрушений фундаментов и зданий при землетрясении. l z
_ <£>
КлючЕВыЕ СлОВА: разжижение грунтов, землетрясение, свайные фундаменты, отрицательные трения, сейс- 0 7
мические воздействия, несущая способность свай, оценка влияния разжижения, сравнительный анализ, специфи- 0 о
ческие процессы с 3
o сс с (
Для ЦИТИРОВАНИЯ: Тер-Мартиросян А.З., Ле Дык Ань, Манукян А.В. Влияние разжижения грунтов q i
на расчетную несущую способность сваи // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 5. С. 655-664. DOI: 10.22227/1997- 0 )
0935.2020.5.655-664 t-
0 w
Influence of soil liquefaction on the design bearing capacity
of a single pile
n M 0) g
r 6
an
Armen Z. Ter-Martirosyan1, Le Duc Anh1, Artur V. Manukyan2 r 5
1 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); D -S-
Moscow, Russian Federation; ¡5 t
o 0
2 Group of companies "Kontsern MonArkh"; Moscow, Russian Federation
m 1
<D
№ DO
' B"
ABSTRACT
Introduction. Pile foundations are considered one of the most suitable foundation solutions for construction in seismic areas
However, during earthquakes, specific processes often occur that adversely affect the interaction of piles with the surrounding S n
soil. Soil liquefaction is one of the most difficult problems in geotechnical engineering in seismic areas, in which the soil will U o
lose its strength properties. Assessing the effect of soil liquefaction on the design bearing capacity of piles during seismic (D D
impacts is an aspect of the design of pile foundations. , ,
Materials and methods. Using the formulas in standards documents for determining the design bearing capacity of piles 2 2
with the suggested new technique on the hypothesis that after the influence of seismic waves and liquefaction, the soil with 2 2 self-compaction pulls the pile down due to skin friction, i.e. additional downward loads affect upon the piles.
© А.З. Тер-Мартиросян, Ле Дык Ань, А.В. Манукян, 2020
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
Results. various design cases are considered, with and without taking into account the effect of soil liquefaction on the bearing capacity of piles, under engineering and geological conditions in Ho Chi Minh City, vietnam. A comparison is presented between the results in the considering various cases.
Conclusions. The suggested technique allows to evaluate the reduction in the bearing capacity of piles after soil liquefaction. Further researches on the effect of soil liquefaction on the bearing capacity of piles are one of the main tasks in the design of buildings and structures in seismic areas for reduction in the risk of the catastrophic destruction of the foundations and buildings during and after an earthquake.
KEYwoRDS: soil liquefaction, earthquake, pile foundation, negative friction, seismic effect, the bearing capacity of piles, assessment of the influence of liquefaction, comparative analysis, specific processes
FoR CITATIoN: Ter-Martirosyan A.z., Le Duc Anh, Manukyan A.v. Influence of soil liquefaction on the design bearing capacity of a single pile. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(5):655-664. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.5.655-664 (rus.).
О о
N N О О tV N
in in
К <D U 3
> (Л
с и U in
¡1
<D ф
О ё
---' "t^
о
о У
8 «
от * ОТ E
E о
CL° ^ с Ю о
s«
о E
fe ° со ^
T- ^
от от
"S
iE 35
О (П
ВВЕДЕНИЕ
Свайные фундаменты в настоящее время имеют широкое применение в строительстве благодаря ряду преимуществ. Одним из них является возможность использования в особых инженерно-геологических условиях, в том числе в сейсмических районах. При проектировании с учетом сейсмических воздействий свайные фундаменты рассчитываются по первому предельному состоянию на особое сочетание нагрузок и воздействий1 [1]. Кроме этого, необходимо учитывать влияние специфических явлений и процессов, которые могут проявляться при сейсмическом воздействии2.
Общеизвестно, что землетрясение может сопровождаться разжижением водонасыщенных песчаных и глинистых грунтов. Разжижением называется процесс, вследствие которого прочность грунта резко снижается и грунт ведет себя как плотная жидкость. В процессе вибрационного воздействия при землетрясении рыхлые песчаные грунты, грунтовые зерна имеют тенденцию реорганизовываться, уплотняясь. В случае полностью водонасыщенных грунтов, до-пуплотнение сопровождается повышением давления поровой жидкости, вследствие высокой интенсивно-
1 Цытович Н.А. Механика грунтов. М. : Стройиздат, 1963. 636 с.
2 Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мар-
тиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. М. : Высшая школа, 2007. 566 с.
сти приложенной нагрузки в короткий промежуток времени и недостаточного времени для выхода поро-вой жидкости из слоев грунта. Повышение давления поровой жидкости в грунте из-за разжижения представлено на рис. 1.
Грунт считается полностью разжиженным, если избыточное давление поровой жидкости сопоставимо с эффективными напряжениями в грунте. Если избыточное давление поровой жидкости много меньше действующих эффективных напряжений, и при этом происходит процесс доуплотнения, можно говорить о частичном разжижении грунта.
В работах Е.А. Вознесенского разжижение при сейсмическом воздействии представлено как частный случай динамического разжижения [2, 3]. Под действием сейсмических волн структурные связи в водонасыщенных грунтах разрушаются и грунты переходят в текучее состояние. В основе разжижения лежит сложный трехстадийный процесс: разрушение исходной структуры грунта, переход грунта в разжиженное состояние, восстановление структуры и постепенное упрочнение.
Разжижение считается более характерным для водонасыщенных илистых и песчаных грунтов3. Процесс разжижения наиболее наглядно может быть показан в виде рыхлоуложенных шаров на примере схемы несвязного грунта, которая представлена на рис. 2.
3 Иванов П.Л. Разжижение песчаных грунтов. М.; Л. : Го-сэнергоиздат, 1962. 260 с.
Рис. 1. Повышение давления поровой жидкости в грунте из-за разжижения Fig. 1. Increase of pore water pressure in the soil due to liquefaction
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая переход несвязных водо-насыщенных грунтов в разжиженное состояние4 Fig. 2. Diagram illustrating the transition from incoherent ware-saturated soils to a liquefied state4
Разжижение грунтов — одна из главных причин серьезных разрушений зданий и сооружений после землетрясений [4, 5]. В результате таких известных землетрясений, как землетрясение в Ниигате в 1964 г., землетрясение в Кобе в 1995 г., Спитакское землетрясение в 1988 г., Нефтегорское землетрясение в 1995 г., Олюторское землетрясение в 2006 г., наблюдались наибольшие повреждения и разрушения зданий и сооружений на водонасы-щенных грунтах, которые перешли в разжиженное состояние под воздействием сейсмических волн [6].
Оценка возможности разжижения грунтов необходима для обеспечения устойчивости и долговечности фундаментов и зданий. Существующий вклад в изучение методов оценки возможности разжижения грунтов в сейсмических районах внесен исследованиями отечественных и зарубежных ученых,
таких как: Е.А. Вознесенский [2, 3], H.B. Seed5, 6, P.K. Robertson7-8, R.W. Boulanger [7], B. Ghosh [8] и др. В настоящее время полевые методы оценки динамических свойств грунтов считаются наиболее эффективными и точными, с их помощью возможно определить вероятность возникновения сейсмического разжижения при землетрясениях. В эту группу полевых методов оценки возможности разжижения грунтов входят сейсмическое, динамическое и статическое зондирование, в том числе с пьезоконусным зондом. Основные определения и принципы применения данных методов подробно рассмотрены в работах Е.А. Вознесенского [2, 3].
Сваи, как известно, рассматриваются как приемлемое решение для фундаментов в разжижаемых грунтах на основе анализа их поведения при прошлых землетрясениях, где грунт разжижается из-за
Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. М. : Высшая школа, 1991. 447 с.
SeedH.B., Tokimatsu K., Harder L.F., Chung R. Influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations // Journal of Geotechnical Engineering. ASCE. 1985. Vol. 121. No. 12. Pp. 856-869.
6 Seed H.B., Lee K.L. Liquefaction of saturated sands during cyclic loading // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. ASCE, 1966. Vol. 92. No. SM6. Pp. 105-134.
7 Robertson P.K., Campanella R.G. Liquefaction potential of sands using the cone penetration test // Journal of Geotechni-cal Engineering. ASCE, 1985. Vol. 111. No. 3. Pp. 384-403.
8 Robertson P.K., Woeller D.J., Finn W.D.L. Seismic cone penetration test for evaluating liquefaction potential under cyclic loading // Canadian Geotechnical Journal. 1992. Vol. 29. Pp. 686-695.
a b
Рис. 3. Механизмы разрушения одиночной сваи при разжижении грунтов: a — свая-стойка; b — висячая свая [10] Fig. 3. Failure mechanisms for single piles due to soil liquefaction: a — end-bearing pile; b — friction pile [10]
< П
ITH
kK
G Г
S 2
0 со § CO
1 О y 1
J со
u -
^ I
n °
О 3
o s
=s (
о §
§ 2
n g 00 66 r 6
an
0 )
ii
® 0
01 В
■ г
s □
s у с о <D * Ultt
2 2 О О 10 10 О О
о о сч N о о
N N 10 10
* <D
U 3
> (Л
С И
ta ю
i!
<D <u
O í¿
---' "t^
o
o <£
s с 8 « "o ОТ
со E
E О
^ с
Ю o
S g
o E
fe °
en ^
T- ^
со от
í!
o iñ
№
сейсмических нагрузок. Однако есть случаи, когда сваи показывали недостаточную устойчивость к дополнительным нагрузкам, вызванным разжижением грунтов. Когда грунт разжижается, возникают значительные потери в жесткости и прочности, которые могут привести к существенным моментам из-за увеличенных перемещений. Возможные механизмы разрушений одиночных свай из-за разжижения грунтов представлены на рис. 3.
Исследованиям взаимодействия свай с грунтом при разжижении посвящены труды многих ученых: Л.Р. Ставницер [9], J.A. Knappett [10], Asskar Janalizadeh [11], S.P.G. Madabhushi [10, 12], K. Premalatha [13], M. Saeedi [14], Rui Wang [15-17], R. Shenkman, A. Ponomaryov [18, 19] и др. В работах [9-13] дается общий обзор важных факторов, которые влияют на сваю для сопротивления сейсмических нагрузок при разжижении окружающих грунтов, также описано, как сваи ведут себя в разжиженном грунте. Показаны результаты исследований [14-18] методов для анализа работы свайных фундаментов и применения метода конечных элементов для моделирования грунта и свай.
При проектировании свайных фундаментов в сейсмических районах необходимо учитывать возможность разжижения. Общие требования для проектирования свайных фундаментов в сейсмических районах приведены в существующих нормативных документах, в том числе в СП 24.13330.20119. Однако нормативные документы не дают подробных указаний по учету влияния разжижения грунта на несущую способность свай. Оценка влияния разжижения грунтов на расчетную несущую способность свай при сейсмических воздействиях является аспектом проектирования свайных фундаментов, который до конца не изучен.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Несущая способность свай может определяться разными методами, которые основываются на результатах полевых испытаний [10, 20, 21], а также инженерным методом, что описано в российских нормативных документах.
В данной работе несущая способность свай определяется по формулам СП 24.13330.2011 как в случае без сейсмического воздействия (первый расчетный случай), так и при его учете (второй расчетный случай).
Авторы предлагают рассмотреть третий расчетный случай определения несущей способности свай, основанный на гипотезе о том, что грунт после воздействия сейсмической волны и разжижения
9 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Опечаткой, с Изменениями № 1, 2, 3).
при самостоятельном уплотнении тянет сваю вниз за счет бокового трения, т.е. на сваю действует дополнительная нагрузка, направленная вниз.
При расчете фундаментов из буронабивных свай по первой группе предельных состояний в обычных инженерно-геологических условиях (первый расчетный случай) несущая способность свай, согласно п. 7.2.6 СП 24.13330.2011, определяется по следующей формуле:
Fd = yc (yrRA + uLjfffr ),
(1)
где ус — коэффициент условий работы свай; усК и ус — соответственно коэффициенты условий работы грунта под нижним концом и на боковой поверхности сваи; Я — расчетное сопротивление грунта основания на нижнем конце свай, кПа; А — площадь опирания сваи, которая принята равной площади поперечного сечения сваи, м2; и — периметр поперечного сечения сваи, м; /. — расчетное сопротивление /-го слоя грунта на боковой поверхности, кПа; h. — толщина /-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, м.
Расчетное сопротивление под нижним концом Я определяется в зависимости от типа грунта, согласно п. 7.2.7 СП 24.13330.2011.
Во втором расчетном случае рассматривается свайный фундамент, который работает на сжатие и под воздействием сейсмических нагрузок.
Несущая способность буронабивных свай вычисляется по формуле (2) с учетом сейсмических воздействий, согласно п. 12.3 СП 24.13330.2011:
^ = У с (у с* У „1Ы + «^У с У „ 2 ГА), (2)
где уе1 и уе — понижающие коэффициенты условий работы грунта основания, которые приведены в табл. 12.1 СП 24.13330.2011, или могут определяться по результатам испытаний свай и свайных фундаментов на сейсмические воздействия.
Расчетное сопротивление грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, принимается равным нулю до расчетной глубины hd, которая рассчитывается следующим образом: а) по формуле (3):
hd =-
*i (H-
■аЕ a3 M )
Y , tg9 ,
(3)
где а1, а2, а3 — безразмерные коэффициенты, которые принимаются равными соответственно 1,5; 0,8 и 0,6 при высоком ростверке и для отдельно стоящей сваи; 1, 2; 1, 2 и 0 при жесткой заделке сваи в низкий ростверк; Н, М — расчетные значения соответственно горизонтальной силы, кН, и изгиба-
ющего момента, кН-м, которые приложены к свае на уровне поверхности грунта; Ьр — условная ширина сваи, которая определяется по приложению в СП 24.13330.2011, м; ае — коэффициент деформации, который определяется по формуле (4), 1/м; у1 — расчетное значение удельного веса грунта, которое определяется с учетом взвешивающего действия воды, кН/м3; ф с1 — расчетные значения соответственно угла внутреннего трения, град., и удельного сцепления грунта, кПа.
С =
1+-
я.
а = 5
к ■
1СЕ1
И
Т- = Со гг • + с,
я
(8)
о У
(4)
Условная ширина Ьр принимается следующим образом: Ьр = d + 1 для свай с диаметром стволов 0,8 м и более; Ьр = + 0,5 для остальных размеров поперечного сечения свай; б) по условию (5):
(5)
Значения угла внутреннего трения ф7 принимаются уменьшенными при различной расчетной сейсмичности: 7 баллов — на 2°, 8 баллов — на 4°, 9 баллов — на 7°.
В третьем расчетном случае при сейсмических воздействиях учитывается влияние сейсмического разжижения грунтов. Несущая способность свай определяется на основе гипотезы об отрицательном трении, действующем на сваю, возникающем после воздействия сейсмической волны и разжижения части грунтового массива, т.е. разжиженный грунт ведет себя как просадочный грунт. В пределах разжиженной толщи грунта появляются дополнительные нагрузки по боковой поверхности, которые тянут сваю вниз [22]. Этот предел разжиженного грунта принимается равным расчетной глубине до которой расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи следует принимать равным нулю. При определении несущей способности учитывается расчетное сопротивление по боковой поверхности с учетом дополнительных нагрузок, как силы отрицательного трения.
Дополнительные нагрузки определяются по формуле (6): ^
Р = «X , (6)
0
где т. — расчетное сопротивление, кПа, которое определяется по формуле (7):
(7)
где £ — экспериментальный параметр, который характеризует боковое давление на контакте сваи с грунтом, и определяется по формуле (8):
где птах — наибольшее значение пористости проса-дочных грунтов, которое принимается равным 0,55; п. — пористость г-го слоя грунта в долях единицы; Н. — глубина расположения середины расчетного г-го слоя грунта, м; Н0 = 1; о^ — вертикальное напряжение от собственного веса водонасыщенного грунта, кПа; И. — толщина г-го разжиженного грунта, м.
Несущая способность буронабивных свай, которые расположены в разжиженных грунтах с учетом появления дополнительной отрицательной нагрузки на сваю, определяется по формуле:
Fd = У с (У с Чщ1 RA + иЪу с/ Ущ2 ¡К - Р„ ). (9)
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для сравнения значения несущей способности сваи по вышеуказанным формулам рассмотрим пример при следующих условиях:
• свайный фундамент многоэтажного здания с четырьмя подземными этажами, расположенного в г. Хошимине, сделан из буронабивных железобетонных свай диаметром d = 1 м, длина сваи I = 40 м;
• расчетная сейсмичность района — 8 баллов;
• инженерно-геологические условия представлены в табл. 1. Сваи опираются на слой 3В на глубину 3,8 м.
Описание слоев грунта:
• Слой 1 — илы с органическими остатками, серо-черные, серо-коричневые, текучие, водонасы-щенные;
• Слой 2В — суглинок, серо-желтый, серо-зеленый, тугопластичный, водонасыщенный;
• Слой 3А — песчанистая супесь, перемежающаяся с глиной, серая, пластичная, влажная;
• Слой 3В — песчанистая супесь, перемежающаяся с глиной, желто-серая, пластичная, водона-сыщенная;
• Слой 4 — суглинок, коричнево-красный, ту-гопластичный, водонасыщенный.
Уровень грунтовых вод находится ниже подошвы слоя 1 на глубине 1 м.
При инженерно-геологических условиях, которые показаны в табл. 1, буронабивные сваи рассматриваются в трех расчетных случаях:
• расчетный случай № 1 — несущая способность одной сваи определяется по формуле (1) без учета сейсмических воздействий;
• расчетный случай № 2 — несущая способность одной сваи определяется по формуле (2) с учетом сейсмических воздействий;
< п
I*
кК
О Г и 3
о С/з
§ С/з
У 1
о со
и ¡з
^ I
§ °
о 2
=! (
О §
Е м § 2
о) ё 26 А Го > 6
ф ) Г!
® лл
(л В ■ г
(Л п
Л у с о ® X
2 2
О О
2 2
О О
Табл. 1. Физико-механические свойства слоев грунтов Table 1. Physico-mechanical properties of soil layers
Характеристики / Specifications Слой 1 / Layer 1 Слой 2В / Layer 2B Слой 3А / Layer 3A Слой 4 / Layer 4 Слой 3А / Layer 3A Слой 3В / Layer 3B
Мощность слоя, м / Layer depth, m 6,7 8,2 8,3 5,5 7,5 3,8
Удельный вес, кН/м3 / Specific gravity, kN/m3 15 19,6 19,5 19,9 19,5 19,9
Число пластичности Ip, % / Plastic index PI, % 31,9 15,3 5,8 11,2 5,8 5,5
Показатель текучести IL / Flow index IL 1,26 0,31 0,36 0,35 0,36 0,18
Коэффициент пористости e / Void ratio e 2,107 0,705 0,623 0,651 0,623 0,572
Пористость n, % / Porosity n, % 68 41 38 40 38 36
Степень водонасыщения Sr / Degree of water saturation Sr 0,98 0,94 0,8 0,93 0,8 0,81
Угол внутреннего трения ф, град. / Angle of internal friction ф, deg. 2°56' 17°33' 23°28' 25°12' 23°28' 24°29'
Сцепление c, кПа / Cohesion c, kPa 9 18,7 10,5 9,9 10,5 11,9
о о
N N О О tv N
in in к ai
u 3 > (Л С И
ta in
¡1
<D ф
О £
---' "t^
о
О У
S c
8 «
Z ■ ^
w 13
со IE
— -b^
E §
CL°
^ с
ю о
s ц
о E
c5 °
СП ^
t- ^
• расчетный случай № 3 — несущая способность одной сваи определяется по формуле (9) при сейсмических воздействиях, учитывая влияние разжижения грунтов по новой гипотезе о проявлении дополнительных нагрузок в пределах разжиженной толщи грунта.
Для определения несущей способности сваи в расчетном случае № 3 вычисляем коэффициент деформации:
Рассчитаем максимальное значение расчетной глубины hd:
h =■
0,302
= 10 м.
a = 5
K • bP
1850•2
1b 3-107 • П1 64
= 0,302 м-
Принимается, что при землетрясении грунт разжижается в пределе определенной толщи, мощность которой равна 10 м. Значения дополнительных отрицательных нагрузок, которые тянут сваю вниз, определяются по формулам (6) и (7).
Результаты расчета несущей способности рассмотренной сваи в данном примере в различных расчетных случаях приведены в табл. 2, 3.
Табл. 2. Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи Table 2. End bearing of the calculating pile
Характеристики / Specifications Расчетный случай № 1: при обычных условиях/ Design case No. 1: with normal conditions Расчетный случай № 2: при сейсмических воздействиях / Design case No. 2: with seismic effects Расчетный случай № 3: при сейсмических воздействиях с учетом появления дополнительных нагрузок на сваю / Design case No. 3: with seismic effects taking into account the appearance of additional loads on the pile
YcR 1 1 1
Yeq1 — 0,8 0,8
R, кПа 3600 3600 3600
A, м2 0,785 0,785 0,785
YcR YeR 2826 2261 2261
со
CO
iï
ïl
О tn
Табл. 3. Расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи Table 3. Skin friction of the calculating pile
Характеристики / Specifications F = u YYcî 2 fh - P„ , кН
Расчетный случай № 1: при обычных условиях / Design case No. 1: with normal conditions Расчетный случай № 2: при сейсмических воздействиях / Design case No. 2: with seismic effects Расчетный случай № 3: при сейсмических воздействиях с учетом появления дополнительных нагрузок на сваю / Design case No. 3: with seismic effects taking into account the appearance of additional loads on the pile
Слой 1 / Layer 1 75,7 0 -196,6
Слой 2В / Layer 2 877,5 375,2 156,2
Слой ЗА / Layer 3A 875,4 612,8 612,8
Слой 4 / Layer 4 629,3 440,5 440,5
Слой ЗА / Layer ЗА 898,5 628,9 628,9
Слой ЗВ / Layer 3B 766 536,2 536,2
Сумма / Sum 4122,4 2593,6 2178
По полученным результатам составляется сравнение при рассмотренных расчетных случаях, которое представлено на рис. 4.
По результатам расчета в различных расчетных случаях, которые показаны на рис. 4, состав-
ляются процентные изменения по сопротивлению на боковой поверхности сваи и по общей несущей способности сваи, которые представлены в табл. 4.
Сопротивление грунта на боковой поверхности сваи F(d, f), кПа / Skin friction of the pile F(d, f), kPa
I Сопротивление грунта под нижним концом сваи F(d, R), кПа / End bearing of the pile F(d, R), kPa
s «
о
s
о о к ю о о
о =
о
s
I г?
у с
о S3
<D rD
я m
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
4122,4
2826
2593,6
2261
2178
2261
Расч. случай № 1 / Case no. 1
Расч. случай № 2 / Case no. 2
Расч. случай № 3 / Case no. 3
Рис. 4. Сравнение результатов расчета несущей способности сваи при различных расчетных случаях Fig. 4. Comparison between the results of calculating the bearing capacity of a single pile in various design cases
Табл. 4. Процентные изменения значения несущей способности сваи
Table 4. Percentage changes in the value of the bearing capacity of the calculating pile
Сравнительные случаи / Comparative cases Процентные изменения по расчетному сопротивлению на боковой поверхности сваи Fd, % / Percentage changes in the skin friction of the pile Fif % Процентные изменения по несущей способности сваи Fd, % / Percentage changes in the bearing capacity of the pile Fd, %
Vi 37,0 30,1
Vi 47,2 36,1
A3-2 16,0 8,6
< П
iH kK
о
M
с
0 со n С/з
1 О y 1 J со
u -
^ I
n °
О 3
o s
=s (
о n
CO
со
0)
КЗ со о
об >86 c я
h о
c n
О )
il
® (Л
(Л В ■ т
s у с о (D X
JJ JJ
M 2
о о 10 10 о о
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУжДЕНИЕ
Обобщая результаты настоящего исследования, можно сделать следующие основные выводы.
Разжижение — сложное явление при землетрясении в водонасыщенных грунтах, оно отрицательно влияет на устойчивость свайных фундаментов. При разжижении допуплотнение сопровождается повышением давления поровой жидкости и возможной потерей несущей способности.
Несущая способность свай в данной работе определяется в различных расчетных случаях: с учетом влияния разжижения и без него. Авторами предлагается новая методика определения расчетной несущей способности свай, при которой рассматривается возможность возникновения дополнительных нагрузок на сваю за счет отрицательного трения.
Значение несущей способности сваи резко уменьшается из-за разжижения грунтов. По результатам расчета свай по несущей способности
в сейсмических районах сопротивление грунта по боковой поверхности, определяемое по предложенной гипотезе, уменьшается на 16 %, а общая несущая способность сваи — на 8,6 % по сравнению с их значениями, определяемыми по предложенным методикам в нормативных документах. Вследствие потери несущей способности свай может наблюдаться дополнительная осадка фундаментов во время эксплуатации зданий и сооружений, из-за которой значение общей осадки может превышать предельное допустимое значение по норме.
Авторами рекомендуется дополнительно исследовать и оценить влияние разжижения грунтов на работу свайных фундаментов по предложенной гипотезе во время землетрясения и после него. После выполнения достаточного объема исследований возможно внесение в нормативные документы дополнения о проявлении подобных вторичных процессов при землетрясениях, в том числе разжижении грунтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильичев В.А., Мангушев Р.А. Справочник
о о
сч сч геотехника. Основания, фундаменты и подземные
^ ^ сооружения. М. : Изд-во АСВ, 2016. 1040 с. о з 2. Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С. Сейс-
с « мическая разжижаемость грунтов: инженерная
to in оценка и классифицирование // Инженерная геоло-
1П ф гия. 2012. № 2. С. 11-23.
<g ! 3. Вознесенский Е.А. Динамические испыта-
I® 75 ния грунтов. Состояние вопроса и стандартизация //
Д Инженерные изыскания. 2013. № 5. С. 20-26. с ^ 4. Chaloulos Y.K., Giannakou A., Drosos V., Ta-
O ф siopoulou P., Chacko J., de WitS. Liquefaction-induced
0 ^ settlements of residential buildings subjected to induced § < earthquakes // Soil Dynamics and Earthquake Engig | neering. 2020. Vol. 129. P. 105880. DOI: 10.1016/j. cn § soildyn.2019.105880
и tj 5. Ter-Martirosyan A., Othman A. Simulation of
со E
— -{д soil liquefaction due to earthquake loading // E3S Web
1 ° of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 03025. DOI: 10.1051/
Sb c e3sconf/20199703025 ю °
g ro 6. Константинова Т.Г. Влияние разжиже-
5? ния грунтов на макросейсмические последствия
cd ^
ел сильных землетрясений // Инженерные изыскания.
z I" 2015. № 13. С. 28-33.
7. Boulanger R.W., Idriss I.M. CPT and SPT
• • based liquefaction triggering procedures. Department
О ¡я of civil & environmental engineering college of engi-
EE neering. University of california at davis, 2014. | ji 8. Ghosh B., Mian J., Lubkowski Z. Design of
¡E J5 piles in liquefiable soil: A review of design codes and
О (Л
ш ф methodologies // 15th World Conference on Earthquake
И > Engineering. 2012. Vol. 28. Pp. 22746-22755.
9. Ставницер Л.Р. Сейсмостойкость оснований и фундаментов. М. : Изд-во АСВ, 2010. 447 с.
10. Madabhushi G., Knappett J., Haigh S. Design of pile foundations in liquefiable soils. London : Imperial College Press, 2009. DOI: 10.1142/p628
11. Janalizadeh A., Zahmatkesh A. Lateral response of pile foundations in liquefiable soils // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015. Vol. 7. Issue 5. Pp. 532-539. DOI: 10.1016/j.jr-mge.2015.05.001
12. Madabhushi S.P.G., Haigh S.K. Liquefaction induced settlement of structures // International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 2010. Vol. 5. URL: https://scholarsmine.mst.edu/icrageesd/05icrageesd/ session12/5
13. Premalatha K., Muthulakshmi K., Bhuva-napriya D., Nikesh L., Vinitha M., Jakkammal D.M. Analysis of pile foundations for liquefaction // International Journal for Research in Engineering Application & Management. 2019. Vol. 5. Pp. 368-374. DOI: 10.35291/2454-9150.2019.0230
14. Saeedi M., Dehestani M., Shooshpasha I., Ghasemi G., Saeedi B. Numerical analysis of pile-soil system under seismic liquefaction // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 94. Pp. 96-108. DOI: 10.1016/j. engfailanal.2018.07.031
15. Wang R. Analysis of seismic single pile response in liquefiable ground. Springer Theses. Springer, Berlin, Heidelberg, 2016. Pp. 55-89. DOI: 10.1007/9783-662-49663-3 3
16. Wang R., Fu P., Zhang J.-M. Finite element model for piles in liquefiable ground // Computers and Geotechnics. 2016. Vol. 72. Pp. 1-14. DOI: 10.1016/j. compgeo.2015.10.009
17. Hu Q.-Q., Wang R., Zhang J.-M. DEM Simulation of Sand Liquefaction Under Partially Drained Conditions. Springer Series in Geomechanics and Geo-engineering. Springer, Cham, 2018. Pp. 165-168. DOI: 10.1007/978-3-319-97112-4_37
18. Shenkman R., Ponomaryov A. Experimental and Numerical Studies of Geotextile Encased Stone Columns in Geological Conditions of Perm Region of Russia // Procedia Engineering. 2016. Vol. 143. Pp. 530-538. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.067
19. Ponomaryov A., Sychkina E. Comparison analysis of pile foundations on the modern and ancient
clays // ICSMGE 2017 — 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017. Pp. 2837-2840.
20. Wrana B. Pile load capacity — Calculation methods // Studia Geotechnica et Mechanica. 2015. Vol. 37. Issue 4. Pp. 83-93. DOI: 10.1515/sgem-2015-0048
21. Agrahari M.K., Jain A., Puri N. Performance of pile foundations during earthquake // Emerging Trends in Engineering Innovations & Technology Management. 2017. URL: https://www.researchgate.net/ publication/320546379
22. Исакова Е.А., Клевеко В.И. Особенности расчета и конструирования фундаментов на про-садочных грунтах // Вестник ПНИПУ 2015. № 3. С. 41-53. DOI: 11.15593/2224-9826/2015.3.05
Поступила в редакцию 10 марта 2020 г. Принята в доработанном виде 1 апреля 2020 г. Одобрена для публикации 28 апреля 2020 г.
Об авторах: Армен Завенович Тер-Мартиросян — доктор технических наук, профессор кафедры механики грунтов и геотехники, руководитель научно-образовательного центра «Геотехника»; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ГО: 675967; Ter-MartirosianAZ@mgsu.ru;
Ле Дык Ань — магистрант кафедры механики грунтов и геотехники; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; ORCID: 0000-0002-7899-6122; KafedraMGG@mgsu.ru;
Артур Ванушевич Манукян — доктор технических наук, заместитель генерального директора — технический директор; ГК «Концерн МонАрх»; 125284, г. Москва, Ленинградский пр-т, д. 31А, стр. 1; a.manukyan@ mon-arch.ru.
REFERENCES
1. Ilichev VA., Mangushev R.A. Handbook of geotechnics. Foundations, foundations and underground structures. Moscow, ASV Publ., 2016; 1040. (rus.).
2. Voznesenskiy E.A., Kushnareva E.S. Seismic soil liquefaction: engineering assessment and classification. Engineering geology. 2012; 2:11-23. (rus.).
3. Voznesenskiy E.A. Dynamic tests of soils. State of the question and standardization. Engineering surveys. 2013; 5:20-26. (rus.).
4. Chaloulos Y.K., Giannakou A., Drosos V, Tasiopoulou P., Chacko J., de Wit S. Liquefaction-induced settlements of residential buildings subjected to induced earthquakes. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020; 129:105880. DOI: 10.1016/j.soil-dyn.2019.105880
5. Ter-Martirosyan A., Othman A. Simulation of soil liquefaction due to earthquake loading. E3S Web of Conferences. 2019; 97:03025. DOI: 10.1051/e3s-conf/20199703025
6. Konstantinova T.G. The role of soil liquefaction in macroseismic consequences of strong earthquakes. Engineering surveys. 2015; 13:28-33. (rus.).
7. Boulanger R.W., Idriss I.M. CPT and SPT based liquefaction triggering procedures. Department of civil & environmental engineering college of engineering. University of california at davis, 2014.
8. Ghosh B., Mian J., Lubkowski Z. Design of piles in liquefiable soil: A review of design codes and methodologies. 15th World Conference on Earthquake Engineering. 2012; 28:22746-22755.
9. Stavnitser L.R. Earthquake resistance of foundations and foundations. Moscow, ASV Publ., 2010; 448. (rus.).
10. Madabhushi G., Knappett J., Haigh S. Design of pile foundations in liquefiable soils. London, Imperial College Press, 2009. DOI: 10.1142/p628
11. Janalizadeh A., Zahmatkesh A. Lateral response of pile foundations in liquefiable soils. Journal
< П
ITH
kK
G Г
S 2
o n
I o
y 1
J со
u i I
n
o 3
o o
=! ( n
n 2
n g Г œ
an
0 )
г?
? (Л
01 В
■ Т
s S
s у
с о ??
Ol Ol M M
о о 10 10 о о
of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015; 7(5):532-539. DOI: 10.1016/j.jrmge.2015.05.001
12. Madabhushi S.P.G., Haigh S.K. Liquefaction induced settlement of structures. International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. 2010; 5. URL: https://scholarsmine.mst.edu/icrageesd/05icrageesd/ session12/5
13. Premalatha K., Muthulakshmi K., Bhuvana-priya D., Nikesh L., Vinitha M., Jakkammal D.M. Analysis of pile foundation for liquefaction. International Journal for Research in Engineering Application & Management. 2019; 5:368-374. DOI: 10.35291/24549150.2019.0230
14. Saeedi M., Dehestani M., Shooshpasha I., Ghasemi G., Saeedi B. Numerical analysis of pile-soil system under seismic liquefaction. Engineering Failure Analysis. 2018; 94:96-108. DOI: 10.1016/j.eng-failanal.2018.07.031
15. Wang R. Analysis of seismic single pile response in liquefiable ground. Springer Theses. Springer, Berlin, Heidelberg, 2016; 55-89. DOI: 10.1007/9783-662-49663-3 3
o o
tv tv 16. Wang R., Fu P., Zhang J.-M. Finite element
o o
n N model for piles in liquefiable ground. Computers and
WW Geotechnics. 2016; 72:1-14. DOI: 10.1016/j.comp-
o ® geo.2015.10.009 > in c M
U in Received March 10, 2020.
if) q Adopted in a revised form on April 1, 2020.
<£ E Approved for publication April 28, 2020.
Bionotes: Armen Z. Ter-Martirosyan — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Soil Mechanics and Geotechnics, Head of Research and Education Center "Geotechnics"; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 675967; Ter-MartirosianAZ@mgsu.ru;
Le Duc Anh — undergraduate of the Department of Soil Mechanics and Geotechnics; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ORCID: 0000-0002-7899-6122; KafedraMGG@mgsu.ru;
Artur V. Manukyan — Doctor of Technical Sciences, Deputy Chief Executive Officer — technical director; Group of companies "Kontsern MonArkh"; 31A, build. 1 Leningradskiy pr., Moscow, 125284, Russian Federation; a.manukyan@mon-arch.ru.
17. Hu Q.-Q., Wang R., Zhang J.-M. DEM Simulation of Sand Liquefaction Under Partially Drained Conditions. Springer Series in Geomechanics and Geo-engineering. Springer, Cham, 2018; 165-168. DOI: 10.1007/978-3-319-97112-4_37
18. Shenkman R., Ponomaryov A. Experimental and Numerical Studies of Geotextile Encased Stone Columns in Geological Conditions of Perm Region of Russia. Procedía Engineering. 2016; 143:530-538. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.067
19. Ponomaryov A., Sychkina E. Comparison analysis of pile foundations on the modern and ancient clays. ICSMGE 2017 — 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017; 2837-2840.
20. Wrana B. Pile load capacity — Calculation methods. Studia Geotechnica et Mechanica. 2015; 37(4):83-93. DOI: 10.1515/sgem-2015-0048
21. Agrahari M.K., Jain A., Puri N. Performance of pile foundations during earthquake. Emerging Trends in Engineering Innovations & Technology Management. 2017. URL: https://www.researchgate.net/ publication/320546379
22. Isakova E.A., Kleveko V.I. Features of the calculation and construction of foundations on subsidence soils. Herald of the PNRPU. 2015; 3:41-53. DOI: 11.15593/2224-9826/2015.3.05 (rus.).
Í?
<D <u
O g —■ "t^ o
O y
8 «
w * ot E
E o
CL° c
LO O
Sg
o E
fe ° CD ^
T- ^
I í
í!
o iñ
