№6_2008

УДК 62415 Канд техн наук професор МВ Корнієнко

аспірант ДА Карпенко

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ СТОВПЧАСТИХ ПАЛЬОВИХ ФУНДАМЕНТІВ З РОЗШИРЕННЯМ В

ЛЕСОВИХ ГРУНТАХ Numerical simulation of work post footing piles foundations with

expansion in subsiding soils under the dead weight Приводиться аналіз існуючих методів розрахунку НДС просідаючих

основ Виконанні дослідження НДС роботи стовпчастих паль з розширенням у лесових ґрунтах що просідають від власної ваги при замочуванні Виконано чисельне моделювання впливу положення джерела локального обводнювання ґрунту на кущ паль Подані результати та рекомендації щодо розрахунку таких фундаментів Основною особливістю проектування пальових фундаментів в ґрунтах що просідають від власної ваги при замочуванні є необхідність врахування додаткових навантажень на палі (негативні сили тертя) які виникають при просіданні оточуючого ґрунту від власної ваги Існуючі рекомендації які викладені в СНиП 20203-85 по врахуванню негативних сил тертя в лесових ґрунтах не в повній мірі обґрунтовані і в більшості випадків приводять до заниження розрахункової величини несучої здатності паль

Досвід показує що при проектуванні таких фундаментів необхідно враховувати ряд факторів вид і розташування можливих джерел замочування ґрунтів величину просідаючої товщі і рівень просідання ґрунтів від їх власної ваги фізико-механічні характеристики нижчележачих ґрунтів допустиму нерівномірність деформацій основи характер вертикального планування глибину закладання ростверків та ін

Важливе значення для розуміння взаємодії паль з просіданням оточуючого ґрунту були присвячені роботи [4 5 6] Однак визначення осідання і несучої здатності буронабивних паль в просідаючих ґрунтах на теперішній час не мають однозначного вирішення

Для врахування впливу замочування можна виділити три найбільш характерних розрахункових випадки

1) джерело замочування розташоване безпосередньо у межах пальового фундаменту коли грунт по всій площі контакту палі з оточуючим і просідаючим ґрунтом знаходяться в задовільному стані (рис 1 а)

2) джерело розташоване на деякій відстані від пальового фундаменту внаслідок чого у верхній його частині грунт має природну або встановлену вологість а в нижній ndash близьку до повного водонасичення (рис 1 б)

3) поступовий підйом рівня ґрунтових вод який призводить до підвищення вологості ґрунтів аж до повного водонасичення в звrsquoязку з чим у верхній частині взаємодія палі з ґрунтом визначається природною або

встановленою вологістю а в нижній ndash повним водонасиченням ґрунту (рис 1 в)

Рис 1 ndash Випадки замочування пальового фундаменту

1 ndash палі 2 ndash джерело замочування 3 ndash крива розповсюдження води в сторони від джерела замочування 4 ndash підйом рівня ґрунтових вод 5 ndash підстеляючий шар

Найбільш несприятливим з точки зору виникнення додаткових навантажень на палю від негативних сил тертя є третій випадок Довантаження палі відбувається на ділянці природної вологості лесового ґрунту де ці сили є максимальними При розрахунку пальових фундаментів і самих будівель за деформаціями необхідно виходити із можливого одностороннього замочування (випадок 2) так як при цьому проявляється найбільша нерівномірність деформацій фундаментів Перший випадок можна прийняти за розрахунковий лише при умові неминучого повного замочування ґрунтів зверху що найчастіше всього має місце у гідротехнічному будівництві

Важливим для розуміння розвитку деформацій є дослідження зміни НДС основи в часі

Існуючі методи розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) просідаючих основ можна розділити на наступні групи

1) інженерні які основані на даних загально масштабних польових експериментів і прийняті в діючих нормах

2) методи які основані на використанні теорії пружності 3) методи які основані на врахуванні коефіцієнту жорсткості ґрунтової

основи 4) методи які основані на використанні співвідношень теорії

пластичності Інженерні методи розрахунку деформацій перевіряються практикою

будівництва і не завжди дають задовільне співпадіння з результатами натурних досліджень В розповсюдженій методиці розрахунку просідань при замочуванні із точкового джерела який розташований на деякій глибині відносного горизонту навантаження передбачається що зона замочування має форму рівнобедреного трикутника у вершині якого знаходиться саме джерело Методом пошарового підсумування в зоні замочування визначається прогнозоване просідання При цьому епюра вертикальних стискуючих напружень від навантаження на фундамент визначається на основі теорії пружності і не враховує перерозподілення напружень на границі зволоженої

зони Цей метод дає майже задовільні результати у тому випадку коли точно задана епюра вертикальних напружень Проведені експерименти (Цитович НА Абелев МЮ Сідорчук ВФ Поліщук АІ) та ін показують відмінність експериментальної епюри від епюри яка приймається в теорії пружності

До другої групи методів розрахунку просідаючої основи відносяться рішення краєвих задач які основані на використанні теорії пружності в різних модифікаціях Гільманом ЯД рекомендована модель двохшарової основи відповідно до якої просідаюча основа складається із двох шарів постійної потужності і має горизонтальну границю між ними Один шар має природну вологість другий ndash більш високу Модулі деформації шарів залежить від їх вологості (чим більша вологість тим менший модуль деформації шару) Розрахунок просідань основи зводиться до рішення задачі теорії пружності для пошарової основи

В останній час більшу популярність набули методи рішення задач термопружності з метою використання їх для визначення НДС просідаючої ґрунтової основи Введення коефіцієнту лінійного розширення дозволяє використовувати готові рішення термопружних задач для визначення НДС зволоженої пружності ВІ Крутов і ЗГ Тер-Мартиросян використовують методи зволоженої пружності для розрахунку НДС просідаючих ґрунтів Можливе також використання теорії пружності з врахуванням того що модуль деформації є неперервною функцією вологості У ряді робіт виконаних у Ростовському інженерно-будівельному інституті використовуються подібні методи а поле вологості знаходиться із нестаціонарної нелінійної моделі інфільтрації Краєві задачі вирішуються за допомогою програмних комплексів методом кінцевих різниць

Для розрахунку просідаючих основ СН Клепіковим був використаний метод кінцевих елементів Методика розрахунку побудована так що на першому етапі вирішується пружна задача компресії від власної ваги ґрунту а потім на другому етапі елементи які розташовані у зволоженій зоні основи ndash виключаються Цим самим моделюється послаблення основи в результаті замочування Визначається нове поле переміщень яке відповідає водонасиченому стану основи і по якому легко знайти величину просідання

До третьої групи відносяться методи які визначають сумісну роботу конструкцій з локально зволоженою просідаючою основою за гіпотезою Вінклера Якщо замість постійного коефіцієнту жорсткості вибрати деяку нелінійну функцію то метод місцевих пружних деформацій дає задовільні результати Коефіцієнт жорсткості можна вибрати таким чином щоб врахувати наявність в основі послабленої замочуванням зони Більш точний огляд робіт в цій області описаний АА Мустафаєвим

Великий інтерес викликають роботи (четверта група) в яких розглядається задача про просідаючі деформації лесової основи що полягає у сумісному розгляді задачі про незворотне деформування ґрунту при одночасному розповсюдженні вологи у деформованому середовищі До цієї групи можна віднести роботу ВС Анікіна [8] в якій розглядається розрахунок просідання і НДС лесової основи при локальному їх замочуванні Поведінку

ґрунту описано широко відомою моделлю rdquoCam-Clayrdquo В функціях зміцнення цієї моделі введений додатковий параметр ndash вологість ґрунту В результаті поверхня навантаження залежить не тільки від пластичних деформацій а і від вологості Методика розрахунку полягає в наступному спочатку при постійній вологості методом кінцевих елементів визначається НДС завантаженого зовнішнім навантаженням основа (як це робиться в нелінійних задачах) потім методом кінцевих різниць визначається поле вологості від точкового джерела води при постійному навантаженні Процес зволоженого переносу описується рівняннями інфільтрації в яких дифузійність та проводимість основи прийняті перемінними і залежать від пластичних деформацій ґрунту Для нового поля вологості визначається нове напруження стану і знову уточнюється поле вологості

Використання в розрахунках чисельних методів які реалізуються на потужних програмних комплексах і використання співвідношень теорії пластичності є найбільш перспективним напрямком

Теоретичні методи для прогнозу поведінки паль і пальових фундаментів розвивались на основі використання рішень Мелана для плоскої задачі і рішення Міндліна у випадку просторової задачі Цей підхід використовували в своїх дослідженнях Абраменко ПГ Барвашов ВА Бартоломей АА Бенерджі П і Батерфілд Р Таланов ГП Личов ПП та ін

Прогноз поведінки пальового фундаменту при вертикальному навантаженні є складним так як включає врахування зміни властивостей основи при заглибленні палі особливості напруженого стану оточуючого ґрунту розподілення зусиль в кожній палі по бічній поверхні і під нижнім кінцем перерозподілення зусиль між палями фундаменту в залежності від рівня завантаження фундаменту

Як показує практика вирішити проблему розрахунку пальових фундаментів з врахуванням експериментальних даних можливо якщо використовувати добре розвинуті чисельні методи

Більш широке використання в розрахунках і проектуванні пальових фундаментів отримав метод кінцевих елементів (МКЕ) В аналізі роботи паль і пальових фундаментів присвячені дослідження Бойко ІП Фадєєва АБ Сахарова ОС Соломіна ВІ Оттавіані М Петрашевича Г та ін

Результати досліджень і досвід будівництва показують що характер сумісної роботи паль з ґрунтом суттєво відрізняється для одиночної палі пальового куща і суцільного пальового поля

Для вивчення роботи буронабивних паль з розширенням у складі паль із куща і при просіданні навколо-пальового ґрунту авторами були проведені розрахунково-теоретичні дослідження за допомогою чисельного моделювання

Розрахунки проводились з використанням програмного комплексу PLAXIS 3D Foundation (Introductory version)

Як вхідні дані були взяті матеріали і результати натурних випробувань паль з розширенням в лесових ґрунтах великої потужності на одному із будівельних майданчиків м Запоріжжя [10]

У даному розрахунку використовується пружно-пластична модель Мора-Кулона (рис2) з врахуванням змінних параметрів ґрунту природного та водонасиченого стану (питома вага γ питоме зчеплення с кут внутрішнього тертя ϕ коефіцієнт Пуассона v модулі деформації природної вологості та в водонасиченому стані En Esat коефіцієнт фільтрації kf кут дилатансії λ) Грунт вважається суцільним ізотропним середовищем яке моделюється згідно з теорією пластичної течії Пружно-пластична задача вирішується за допомогою методів скінчених елементів та початкових напруг

Просідаюча основа моделюється 15-ти вузловими обємними елементами (рис 3) Модель прийнята розмірами в плані ndash 40х40м Граничні умови в нижній частині моделі представлені у вигляді суцільного защемлення а вертикальні стінки - у вигляді шарнірно - рухомих опор У масиві ґрунту виділяються нашарування з різними фізико-механічними характеристиками й області локального обводнювання (рис 4)

Рис 2 ndash Поверхня головних

напружень Мора-Кулона у просторі (с=0) Рис 3 ndash Місцева нумерація розташування

вузлів () і пунктів інтеграцій 15-ти вузлового елементу

Палі моделюється елементами плоско - напруженого стану в рамках пружної лінійно-деформованої моделі Розрахункові характеристики матеріалу паль модуль Юнга Е=30x107 коефіцієнт Пуассона ν = 02 Геометричні розміри паль та несучий шар ґрунту під нижнім кінцем палі l = 23м d = 05м D = 16м пісок щільний Загальна потужність лесових просідаючих ґрунтів ndash 116hellip12м

Розрахунок НДС просідаючої основи пальового фундаменту із буронабивних паль з розширенням складається з наступних етапів До початку розрахунків визначаються початкові умови До них відносяться початкові умови генерування тиску води при рівні ґрунтових вод відносної відмітки - 94м (рис 6) Далі генеруються початкові напруження від власної ваги ґрунту

Величина сил негативного тертя Рn враховувалась згідно результатів моделювання одиночної буронабивної палі без розширення на висмикуюче навантаження від денної поверхні землі і до відмітки що відповідала розрахунковій глибині проявлення негативного тертя ґрунту (в ґрунтах природної вологості і з водонасиченням просідаючого ґрунту) Навантаження нарощувалось ступенями до тих пір поки програма не видасть помилку тобто зрив палі що і буде відповідати максимальному осьовому висмикуючому навантаженню (величина негативного тертя)

Насипний грунт (суглинкинеодноднорідні в сумішку збудівельним сміттям до 10)

Суглинки лесові пилуватіжовто-бурі тверді просідаючі

Супіски лесові пилуватікарбонатні тверді просідаючі

Суглинки лесові легкі пилуватіжовто-бурі з червоним відтінкомкарбонатні тверді просідаючі

Супіски лесові пилуваті палево-жовтіз прожилками карбонатівпросідаючі

Суглинки лесові пилуваті з включеннямкарбонатів (IL= -05 E=23МПа)просідаючі

Супіски лесові пилуваті карбонатнівід твердих до напівтвердих (I L= -025E=21МПа) просідаючі

Супіски лесові тяжкі пилуваті звключенням карбонатів (IL= -014E=215МПа)

Глини пилуваті червоно-бурітверді з включенням карбонатнихстяжок (IL= -027 E=19МПа)

Глини пилуваті буровато-сірітверді з включенням карбонатів(IL= -027 E=19МПа)

Піски середні з лінзами дрібнихжовто-сірі з прошарками супісківсуглинків маловологі і вологі щільні(E=41МПа)

Глини сірі зеленовато-сірітверді з прошарками пісків ісупісків (E=18МПа)

Умовніпозначення

Літологічні видигрунтів

Посадка пальового фундаменту нагеологічний розіріз

1-1

Рис 4 ndash Посадка пальового фундаменту на геологічний розріз

Для зясування адекватності чисельного моделювання роботи паль в умовах просідаючого ґрунту було виконане порівняння результатів розрахунку по запропонованій розрахунковій методиці з результатами отриманих натурних досліджень [10] і результатами розрахунку за методикою пропонованою діючими нормами [1] Результати розрахунків при заданих умовах досить близькі різниця між величинами осідання складає 74мм (53)

Рис5 - Скінчено ndash елементна 3D модель ldquoпальовий фундамент ndash

просідаюча основаrdquo

Рис 6 - Генерування тиску води кНм2

Рис 7 - Ізополя переміщень ґрунту у вертикальному напрямку пальового

стовпчастого фундаменту з розширенням Uy м

Рис 8 - Ізополя переміщень ґрунту у

вертикальному напрямку Uy м (переріз 1-1)

Рис 9 - Ізополя переміщень ґрунту у вертикальному напрямку Uy м

(переріз 2-2)



Довантажуючі сили тертя залежать від схеми замочування основи товщини замоченого шару ґрунту властивостей просідаючого ґрунту основи та інших факторів Замочування просідаючої основи знизу паралельними шарами являє більшу небезпеку для буронабивних паль з розширенням чим замочування зверху що і підтверджено дослідженнями [6] Дана методика розрахунку дозволяє досліджувати роботу буронабивних паль з розширенням у складі кущів в просідаючих ґрунтах від власної ваги при різних випадках замочування і оцінювати НДС з точністю необхідною для вибору конструктивних заходів при проектуванні

Список використаних джерел

1 СНиП 20203ndash85 Свайные фундаменты ndash М Стройиздат 1985 ndash 45с 2 ДБН В11-5-2000 Частина II Будинки і споруди на просідаючих

ґрунтах Державний комітет будівництва архітектури та житлової політики України Київ 2000 ndash 83с

3 Руководство по проектированию и устройству фундаментов из буронабивных свай и опор-колонн НИИСП Госстроя УССР Киев 1991 ndash 154с

4 Григорян АА Григорян РГ Экспериментальное изучение rdquoотрицательногоrdquo трения на боковой поверхности сваи при просадке грунтов от собственного веса Основания фундаменты и механика грунтов ndash 1975 - 5 ndash С1012

5 Клепиков СН Сайко ВА К расчету фундаментов из буронабивных свай в условиях просадочных грунтов II типа Основания и фундаменты ndash Киев 1980 ndash Вып 13 ndash С13hellip19

6 Зарецкий ЮК Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений ndash М Стройиздат 1988 ndash 350с 7 Крутов ВИ Проектирование свайных фундаментов в грунтах II типа по просадочности Основания фундаменты и механика грунтов ndash Москва 1984 ndash Вып 2 ndash С18hellip21 8 Шадунц КШ Аникин ВС Пластические деформации при локальном замачивании просадочных толщ Известия СКНЦВШ Технические науки 1982 N 3 с 9hellip13

9 Карпенко ДА До моделювання напружено-деформованого стану лесової основи буронабвиної палі з розширенням Основи і фундаменти Міжвід наук- тех зб ndash Вип 30 ndash К Будівельник 2006 с 47hellip52

10 Корнієнко МВ Карпенко ДА Несуча здатність буронабивних паль з розширенням в лесових ґрунтах за результатами статичних випробувань Основи і фундаменти Міжвід наук- тех зб ndash Вип 31 ndash К Будівельник 2008 с 54hellip63

встановленою вологістю а в нижній ndash повним водонасиченням ґрунту (рис 1 в)

Рис 1 ndash Випадки замочування пальового фундаменту

1 ndash палі 2 ndash джерело замочування 3 ndash крива розповсюдження води в сторони від джерела замочування 4 ndash підйом рівня ґрунтових вод 5 ndash підстеляючий шар

Найбільш несприятливим з точки зору виникнення додаткових навантажень на палю від негативних сил тертя є третій випадок Довантаження палі відбувається на ділянці природної вологості лесового ґрунту де ці сили є максимальними При розрахунку пальових фундаментів і самих будівель за деформаціями необхідно виходити із можливого одностороннього замочування (випадок 2) так як при цьому проявляється найбільша нерівномірність деформацій фундаментів Перший випадок можна прийняти за розрахунковий лише при умові неминучого повного замочування ґрунтів зверху що найчастіше всього має місце у гідротехнічному будівництві

Важливим для розуміння розвитку деформацій є дослідження зміни НДС основи в часі

Існуючі методи розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) просідаючих основ можна розділити на наступні групи

1) інженерні які основані на даних загально масштабних польових експериментів і прийняті в діючих нормах

2) методи які основані на використанні теорії пружності 3) методи які основані на врахуванні коефіцієнту жорсткості ґрунтової

основи 4) методи які основані на використанні співвідношень теорії

пластичності Інженерні методи розрахунку деформацій перевіряються практикою

будівництва і не завжди дають задовільне співпадіння з результатами натурних досліджень В розповсюдженій методиці розрахунку просідань при замочуванні із точкового джерела який розташований на деякій глибині відносного горизонту навантаження передбачається що зона замочування має форму рівнобедреного трикутника у вершині якого знаходиться саме джерело Методом пошарового підсумування в зоні замочування визначається прогнозоване просідання При цьому епюра вертикальних стискуючих напружень від навантаження на фундамент визначається на основі теорії пружності і не враховує перерозподілення напружень на границі зволоженої








































1-1































































1-1

























































1-1















































1-1







































1-1























































Documents

№6_2008