Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор существующих методов расчета одиночных баррет и их групп в составе барретно-плитного фундамента по I и II предельным состояниям 9
1.1. Использование барретных фундаментов в современном строительстве, отличия от традиционных фундаментов глубокого заложения 9
1.2. Существующие методы оценки несущей способности баррет 14
1.2.1. Аналитические методы определения несущей способности баррет 14
1.2.2. Использование экспериментального метода полномасштабных испытаний баррет для определения их несущей способности 22
1.3. Существующие методы оценки деформаций одиночных баррет и их групп в составе барретно-плитного фундамента 33
1.4. Выводы по главе 36
Глава 2 Теоретические основы количественной оценки НДС при взаимодействии длинных баррет с массивом грунта численными методами 38
2.1. Общие положения 38
2.2. Современные грунтовые модели, используемые в геотехническом моделировании для описания взаимодействия конструкций фундаментов с массивом грунта 39
2.2.1. Упругоидеальнопластическая модель Мора-Кулона 40
2.2.2. Модель упрочняющегося грунта (Hardening soil) 43
2.2.3. Модель упрочняющегося грунта при малых деформациях (Hardening soil small strain) 46
2.2.4. Модифицированная модель Cam-Clay 47
2.3. Использование программного комплекса PLAXIS 3D для моделирования работы одиночных и групповых баррет под нагрузкой 49
2.3.1. Общие положения 49
2.3.2. Процесс моделирования одиночной длинной барреты, взаимодействующей с массивом грунта 49
2.3.3. Особенности моделирования барреты в составе барретно-плитного фундамента в ПК PLAXIS 3D 54
2.4. Выводы по главе 2 55
Глава 3 НДС массива грунта, вмещающего одиночные и групповые барреты. Аналитические и численные решения 57
3.1. Общие положения 57
3.2. Взаимодействие одиночной длинной несжимаемой барреты с однородным грунтовым основанием 57
3.3. Взаимодействие одиночной длинной несжимаемой барреты с двухслойным и многослойным грунтовым основанием 63
3.4. Взаимодействие одиночной длинной барреты конечной жесткости с однослойным и многослойным основанием 66
3.5. Взаимодействие одиночной длинной сжимаемой барреты конечной жесткости с грунтовым основанием, обладающим упругопластическими свойствами 70
3.6. Взаимодействие группы длинных баррет в составе барретно-плитного фундамента с однослойным и многослойным основанием 77
3.7. Противооползневые мероприятия с помощью длинных баррет 93
3.8. Определение «критической» длины барреты 99
3.9. Выводы по главе 3 105
Глава 4 Сравнение численных и аналитических методов расчета баррет с экспериментальными данными 107
4.1. Введение 107
4.2. Применение методики аналитического прогнозирования НДС одиночной барреты на примере полномасштабного эксперимента на объекте строительства высотного здания в г. Санкт-Петербурге 108
4.3. Применение методики аналитического прогнозирования НДС одиночной барреты на примере полномасштабного эксперимента на объекте строительства в Гонконге 115
4.4. Применение методики аналитического прогнозирования НДС одиночной барреты на примере полномасштабного эксперимента на объекте строительства в Бангкоке 123
4.5. Применение методики аналитического прогнозирования НДС групповой барреты на примере прогнозирования деформаций основания при строительстве высотного коплекса в г. Москва по адресу Ленинградский проспект, д.39 133
4.6. Выводы по главе 140
Основные выводы по диссертации 141
Приложение А 143
Примеры расчета взаимодействия длинной барреты с грунтом, обладающим пределом прочности 143
Библиографический список -153-
- Аналитические методы определения несущей способности баррет
- Процесс моделирования одиночной длинной барреты, взаимодействующей с массивом грунта
- Взаимодействие группы длинных баррет в составе барретно-плитного фундамента с однослойным и многослойным основанием
- Применение методики аналитического прогнозирования НДС одиночной барреты на примере полномасштабного эксперимента на объекте строительства в Гонконге
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
В настоящее время при строительстве высотных зданий и сооружений повышенной ответственности широко применяются барреты большой длины, представляющие собой фундаменты глубокого заложения (наподобие буровых свай), имеющие большое поперечное сечение прямоугольной формы размером 0.8x2.8 м, 1.5x3м и др. В составе фундамента барреты могут нести значительные нагрузки, достигающие нескольких тысяч тонн, что имеет важное значение при передаче больших нагрузок от высотных зданий и тяжелых сооружений. Достоверная оценка взаимодействия длинных баррет (длиной более 20 м) с окружающим неоднородным грунтовым массивом необходима для количественной оценки несущей способности одиночных баррет и баррет в составе баррет-но - плитного фундамента, а также для прогноза их осадок.
Целью диссертационной работы является изучение и совершенствование существующих методов количественной оценки взаимодействия одиночной барреты и группы баррет в составе барретно - плитного фундамента с неоднородным грунтовым массивом аналитическим и численным методами с учетом конечной жесткости баррет.
Основные задачи диссертационной работы:
изучение и анализ существующих методов расчета НДС одиночных и групповых баррет, взаимодействующих с однородным и неоднородным (слоистым) грунтовым массивом под центральной нагрузкой;
изучение и анализ экспериментальных методов определения несущей способности баррет и их осадки при нагружении;
выбор расчетных моделей грунтов, слагающих массив, для прогнозирования НДС систем «одиночная баррета - массив грунта» и «групповая баррета -массив грунта» аналитическими и численными методами;
постановка и решение задач для количественной оценки НДС массива грунта, взаимодействующего с одиночной барретой и группой баррет под нагрузкой с учетом линейной сжимаемости материала барреты;
построение геомеханической модели для описания взаимодействия длинной барреты в грунте в контактной зоне с учетом мобилизации касательных напряжений и их перераспределения с ростом нагрузки;
разработка алгоритмов и выражений для определения осадок и основных компонент НДС для одиночных и групп баррет при переменной нагрузке;
рассмотрение примеров решенных задач, их анализ и сравнение с данными реальных экспериментов.
Научная новизна работы
-
Поставлены впервые и решены задачи о взаимодействии одиночной барреты с однородным линейно деформированным и многослойным грунтовым массивом аналитическим методом.
-
Разработан графо-аналитический способ решения задачи о взаимодействии длинной барреты с грунтовым массивом, позволяющий определить зоны предельного равновесия на поверхности ствола, необходимые для расчета осадки барреты как от деформации сдвига окружающего грунта, так и упругого сжатия ствола барреты.
-
Решена задача о взаимодействии барреты с окружающим грунтом и ростверком в составе барретно-плитного фундамента аналитическим методом, которая позволяет определить все компоненты НДС, в том числе напряжения и перемещения (осадки).
-
Дано количественное обоснование эффективности использования баррет в качестве противооползневых сооружений на основе численного моделирования НДС оползневого склона методом конечных элементов.
-
Дана количественная оценка критической длины барреты, при которой происходит полное исчерпание несущей способности как по боковой поверхности, так и под пятой барреты.
-
Для всех рассмотренных в диссертации аналитических задач разработана простая методика использования их результатов путем введения начальных параметров в готовые системы уравнений, которые удобно решать с помощью любых математических программ.
Научная ценность работы заключается:
в постановке и решении задач, позволяющих дать количественную оценку НДС систем «одиночная баррета - массив грунта» и «групповая баррета -массив грунта» с учетом неоднородности массива грунта, сжимаемости ствола барреты и образования предельного состояния на участке контакта барреты с грунтом;
в разработке методики определения «критической» и «оптимальной» длины барреты, при которой возможно наиболее полное использование ее несущей способности как по боковой поверхности, так и по пяте;
в разработке методики определения «оптимальной» длины барреты, при которой возможно наиболее полное использование несущей способности как по боковой поверхности, так и по пяте.
Личный вклад соискателя заключается в том, что им поставлены и решены задачи о взаимодействии одиночных и группы длинных баррет с однородным и неоднородным грунтовым массивом ограниченных размеров с учетом сжимаемости ствола барреты и образования зон предельного равновесия на боковой поверхности ствола. Разработан алгоритм определения «критической» и «оптимальной» длины ствола барреты для наиболее полного использования несущей способности как по боковой поверхности, так и на уровне пяты.
Практическое значение работы
Полученные в работе результаты позволяют:
- совершенствовать методы количественной оценки взаимодействия оди
ночной барреты и группы баррет в составе барретно-плитного фундамента с
неоднородным грунтовым массивом аналитическими и численными методами с
учетом конечной жесткости баррет;
- дать научное обоснование поведению особенностей взаимодействия
длинных баррет с неоднородным грунтовым массивом, в том числе особенно
стям распределения нагрузки по боковой поверхности и на концевую опору
барреты при постоянной нагрузке;
- совершенствовать методы расчета фундаментов с использованием длин
ных баррет, включая определение несущей способности одиночной барреты и
осадки барретно - плитного фундамента в различных грунтовых условиях аналитическими и численными методами.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 14-21 апреля 2010 г.), Четырнадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, апрель 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Численные методы расчетов в практической геотехнике» (Санкт-Петербург, 3 февраля 2012 г.), Общероссийской конференции молодых ученых, научных работников и специалистов: «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, 3 февраля, 2013 г.).
Достоверность результатов исследований заключается в том, что поставленные в диссертационной работе задачи решены на основе современной прикладной механики грунтов. Численные задачи МКЭ решались с помощью программного комплекса PLAXIS, сертифицированного в соответствии с действующими нормативными документами на территории России и использующий современные грунтовые модели. Результаты аналитических решений и численного моделирования показали хорошую сходимость с данными реальных испытаний баррет и данными мониторинга строящихся зданий.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия одиночных и групп баррет конечной жесткости с однородным и многослойным грунтовым основанием и их анализ;
результаты численного моделирования одиночных и групповых баррет при их взаимодействии с грунтовым массивом, обладающим упругими и упру-гопластическими свойствами. Сравнение с аналитическими решениями и данными экспериментов и мониторинга;
- постановка и решение задач для аналитического описания поведения одиночных и групповых длинных баррет под нагрузкой. Применимость полученных результатов в инженерной практике.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 4 в научных журналах по списку ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Аналитические методы определения несущей способности баррет
Под несущей способностью баррет понимается такая нагрузка, которую баррета может воспринять без исчерпания прочности грунтового основания под подошвой и по боковой поверхности барреты. Либо нагрузка, при которой баррета получает такие перемещения, при которых ее эксплуатация в составе фундамента не представляется возможной. Предельная критическая нагрузка ри соответствует напряжению под подошвой барреты, при котором происходит исчерпание несущей способности грунта основания. При этом в основании формируются развитые области предельного равновесия (зоны сдвига).
Впервые задача об определении предельной критической нагрузки на фундамент для плоской задачи была решена в 1920-1921 гг. Л. Прандтлем и Г. Рейснером в предположении невесомого основания (у=0) [Ухов и др., 1994] Ими было получено следующее выражение для предельной нагрузки на основание на определенной глубине от поверхности
Экспериментальные исследования показали, что пренебрежение собственным весом грунта основания приводит к заниженным значениям предельной критической нагрузки. Притом в схеме Прандтля-Рейснера не учтено образование уплотненного ядра, формирующегося под центральной частью подошвы фундамента. Представленное решение развивалось в трудах К. Терцаги, В.Г. Березанцева, М.В. Малышева, А. Како, Ж. Керизеля и других.
Наиболее полным выражением для определения предельной нагрузки на основание, учитывающим различные факторы (формы фундамента и наклона нагрузки) является формула Ж.Б. Хансена [1970]
Стоит отметить, что реализация предельного давления на основание на большой глубине (для баррет глубиной более 20 м) практически невозможно, так как большая доля нагрузки воспринимается боковой поверхностью баррет. А передача значительных нагрузок возможна только в случае исчезновения взаимодействия на контакте боковой поверхности барреты и окружающего грунта, т.е. при ее «срыве», когда для каждого слоя грунта основания касательные напряжения становиться максимальными и выполняется условие Мора-Кулона - г = х tg p + с. Но такой «срыв» возможен в случае значительной осадки грунтов под подошвой барреты. А этот случай маловероятен на большой глубине от поверхности. Поэтому целесообразно определять несущую способность исходя не из критериев потери несущей способности длинной барреты, а для предельных проектных деформаций основания (соответственно в пределах реальных эксплуатационных нагрузок на основание).
Самым распространенным способом определения несущей способности баррет в России на сегодняшний день является рассмотрение их как висячих буронабивных и буровых свай по рекомендациям (СП 24.13330.2011 — "Свайные фундаменты")
В этой формуле выражение u ycf-fi-hi характеризует несущую способность элемента (сваи, барреты) по боковой поверхности. Чтобы перейти от боковой поверхности сваи к боковой поверхности барреты вычисляют среднее удельное сопротивление по всей толще грунтовых напластований fs (приходящееся на 1 м2 поверхности рабочего элемента) и значение сопротивления по боковой поверхности для площади барреты.
Причем fs иногда находят с помощью автоматизированных программ для определения несущей способности круглых свай, таких как «БАЗИС», «Winbase», «Фундамент-1» и др.
Недостатком данной методики является игнорирование разницы геометрической формы фундаментов. Также необходимо отметить, что максимальная рассматриваемая глубина расположения пяты сваи составляет 40 м, в то время как низ барретного фундамента нередко оказывается значительно глубже.
В 2009 году на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ разработан аналитический метод определения несущей способности баррет большой длины [Тер-Мартиросян, 2009]. Этот метод основан на учете того факта, что грунт под подошвой баррет находится в трехосном напряженном состоянии. Предельное сопротивление грунта определяется по аналогии с методом определения предельной нагрузки под пятой длинной сваи большого диаметра по формуле
Процесс моделирования одиночной длинной барреты, взаимодействующей с массивом грунта
1) Сначала необходимо определиться с размерами расчетной области и корректно задаться граничными условиями. Модель состоит из ячейки грунта размерами 2Ax2BxL, в которой находится одиночная баррета размерами 2ax2bxl. На боковых границах ячейки приняты граничные условия с полным закреплением перемещений. То есть мы допускаем, что рассматриваемая ячейка представляет собой полную зону влияния одиночной барреты. Поэтому перемещения на ее границах нулевые. При моделировании игнорирование этих граничных условий приведет к значительному увеличению осадки барреты за счет осадки всей незакрепленной ячейки, что не будет согласоваться со схемой аналитической задачи, поставленной в главе 3. На рис. 2.3. показана схема данной задачи и ее реализация в PLAXIS 3D.
2) Выбор адекватной модели для описания поведения грунта и материала барреты.
В данной работе достаточной моделью для прогнозирования поведения грунта является модель Мора-Кулона. Несмотря на свою простоту, она обладает всеми необходимыми физико-механическими параметрами грунта и описывает прочность грунта в зависимости от действующих напряжений и прочностных параметров: угла внутреннего трения р и удельного сцепления с. Вторым важным аргументом в пользу этой модели является то, что механизм ее работы может быть представлен в аналитическом решении, в то время как использование более сложных моделей приведет к невозможности их сравнения с аналитическими решениями, так как они будут иметь различные параметры.
При рассмотрении барреты, взаимодействующей с грунтом, обладающим пластическими свойствами, программа PLAXIS в соответствии с моделью Мора-Кулона автоматически определяет часть боковой поверхности, на которой мобилизованные касательные напряжения превышают предельные. В этих узлах сетки конечных элементов образуются пластические точки разрушения. К такому же механизму постепенного исчерпания несущей способности по боковой поверхности мы приходим в главе 3 (аналитические и численные решения).
На рис.2.4 представлен пример образование зон пластического деформирования грунта в верхней части барреты, т.е. до той глубины, где мобилизованные касательные напряжения еще не достигают предельного значения, которое меняется в зависимости от природного напряженного состояния грунта (глубины от поверхности) и прочностных характеристик грунта. При дальнейшем увеличении нагрузки зоны пластического деформирования неизбежно распространятся по всей глубине боковой поверхности.
Для материала ствола барреты применяем линейно-упругую модель (Linear Elastic) как достаточную для описания работы элемента конечной жесткости. Также эта модель согласуется с моделью материала барреты, принятой в аналитическом решении.
4) Задание интерфейсных элементов на поверхности барреты.
Эта процедура нужна для реализации возможности задания различных коэффициентов взаимодействия между материалом барреты и грунтом в зависимости от типа грунта. Также интерфейсные поверхности предполагают локальное измельчение сетки конечных элементов вблизи их. В среде PLAXIS 3D интерфейсные элементы задаются от поверхности в одну или другую сторону параллельно поверхности - позитивный и негативный интерфейс. По поводу величины понижения прочностных характеристик на интерфейсных поверхностях существуют различные мнения среди расчетчиков: от понижения прочности до 40% от первоначальной в твердых глинах под действием бентонитового раствора (80% для песка) [Васенин, 2010] до мнения о том, что можно принимать условие полного прилипания грунта к поверхности барреты (что также может иметь место, так как боковая поверхность траншеи (а, как следствие, барреты) в реальности далека от прямой и гладкой. В данной работе автор считает, что бентонитовый раствор вносит ослабление во взаимодействие материалов на контакте баррета-грунта и считает целесообразным снижение прочности в связи с этим до 20%.
Задание интерфейсных элементов также полезно из-за возможности просмотра в них напряжений и деформаций. На рис. 2.5 представлены изополя мобилизованных касательных напряжений на контакте баррета-грунт, построенные на плоскости интерфейсных элементов.
5) Создание сетки конечных элементов и проведение расчета.
Создание сетки производится в автоматическом режиме с возможностью ее глобального и локального измельчения. В результате расчета мы получаем изополя НДС грунта и материала барреты, а также могут быть построены кривые «нагрузка-осадка», которые удобно сравнивать как с аналитическими решениями, так и с данными реальных испытаний.
Взаимодействие группы длинных баррет в составе барретно-плитного фундамента с однослойным и многослойным основанием
Представленные в предыдущих разделах настоящей работы решения для одиночной барреты, взаимодействующей с однородным и неоднородным массивом грунта имеют ограниченное применение на практике. Условиям поставленных задач соответствуют случаи испытания одиночных баррет при определении их несущей способности и случаи плитно-барретных фундаментов, в которых расстояние между барретами велико (более 5d, где d - длина барреты в одном направлении и ширина в другом), что условия их работы близки к условиям одиночных баррет.
Однако, на практике в составе барретно-плитных фундаментов расстояние между барретами чаще бывает значительно меньше (3-4d). Этот случай уже будет соответствовать работе барреты в группе. Для рассмотрения НДС барретно-плитных фундаментов следует рассматривать новую расчетную схему, включающую баррету, окружающий ее грунт и часть плиты ростверка, приходящуюся на одну баррету (ее грузовую площадь). Нахождение основных компонент НДС такой ячейки будет соответствовать поведению групповой барреты в составе барретно-плитного фундамента. Исключением будут являться только крайние барреты фундамента, условия работы которых, очевидно, будут отличаться от условий баррет, расположенных внутри барретного поля.
Рассмотрим расчетную схему ячейки барретно-плитного фундамента под воздействием равномерно распределенной нагрузки, приложенной на плиту ростверка. Плиту ростверка принимаем условно абсолютно жесткой (что оправданно, так как ростверки, объединяющие длинные барреты, имеют значительные толщины, а расстояние между барретами 3d), а ствол барреты сжимаемым. Размеры рассматриваемой ячейки: 2Ax2BxL. Размеры барреты -2а x2bxl соответственно сторонам ячейки. Вид расчетной схемы представлен на рис.3.6.1.
1. Поместим значение z=0 на уровне низа барреты и направим ось z вверх. Выделим в стволе барреты элементарный слой высотой dz (заштрихован на рис.3.6.1). При приложении на расчетную ячейку распределенной нагрузки интенсивностью р (кПа), в этом элементарном слое возникнут нормальные напряжения «т.. На боковой поверхности слоя мобилизуются касательные напряжения г2. Учитывая площади распределения возникших напряжений в элементарном слое, можно записать уравнение равновесия:
Граничные условия для рассматриваемой ячейки будут отличаться от рассматриваемых для одиночной барреты в предыдущих задачах. Так как рассматриваемая ячейка является только «вырезанной» частью барретно-плитного фундамента и его основания, то со всех четырех сторон вокруг к ней примыкают аналогичные ячейки. В результате нагружения фундамент и грунт в межбарретном пространстве претерпевают осадку. Поэтому на границах рассматриваемой ячейки приняты условия свободного вертикального перемещения (см. рис.3.6.1). На дне ячейки принято полное отсутствие перемещений. На рис.3.6.1 схематично изображены эпюры осадки и касательных напряжений на в массиве грунта в зависимости от глубины z и расстояния от поверхности барреты - г.
2. Принимаем закон распределения касательных напряжений следующим образом
3. Зависимость сдвиговых деформаций и, соответственно, осадок от величины касательных напряжений можно записать, используя закон Гука
Найдем выражение для осадки, соответствующей сдвиговой деформации по сторонам 2а (выражения для сторон 2Ь будут отличаться только соответствующими размерами и мы приведем их без вывода, т.к. он аналогичен представляемому):
Аналогичные рассуждения проводятся относительно сторон 2Ь. Как и в случае с одиночной барретой, необходимо учитывать, что боковые стороны воспринимают нагрузку (и претерпевают осадку) в соответствии с соотношением их сторон (см. коэффициенты к\ и к2 в пункте 3.2. (3.2.9)).
4. Закон изменения касательных напряжений в зависимости от глубины z по данным экспериментов Готман Н.З. [2003] можно принять в виде экспоненциальной функции: ф) = т0-ечв (3.6.9)
В соответствии с этим законом график изменения касательного напряжение по глубине будет близок к представленному на рис.3.6.1. Для описания скорости затухания принятой функции принимаем значение произведения в степени экспоненты а/ = Зн-5, что гарантирует равенство нулю касательного напряжения на уровне оголовка барреты.
На уровне пяты барреты касательное напряжение принимает максимальное значение r(z) = г0.
Рассмотрим элементарный слой барреты и напишем выражение для его равновесия
Систему уравнений (3.6.22) удобно решать с помощью специализированных программ для математических расчетов, широко распространенных в наше время, например MathCAD.
Как видно из принятого выражения, осадка барретно-плитного фундамента находится как сумма осадки условного фундамента, когда сжимается грунт под подошвой баррет, сжимаемости ствола барреты и перемещения за счет сдвиговых деформаций (соответствующих найденным касательным напряжениям). Как известно, практически всегда наблюдается большее значение осадки под пятой барреты (или сваи), чем окружающего грунта. Происходит продавливание. Величину продавливания в чистом виде можно также найти по полученному из решения значению давления по подошве барреты - р3:
Таким образом, предложенное решение позволяет найти не только саму величину осадки фундамента, но и напряжения, возникающие в стволе барреты и в грунте под ростверком.
Пример решения в соответствии с (3.6.22)
В качестве примера решения поставленной задачи рассмотрим взаимодействие с массивом грунта ячейки барретно-плитного фундамента (см. схему на рис.4.7.1) с барретой длиной 1=30 м. Глубина массива L=40 м. Размеры ячейки в плане 2Ах2В=4.5х9м. Размеры барреты в плане -2ах2Ь=1.5хЗ м. То есть размеры ячейки соответственно равны трем длинам стороны барреты. со — 1.22 — коэффициент влияния формы прямоугольной барреты; к(1)=0.675 - коэффициент влияния глубины расположения пяты от поверхности; Принимаем грунт со следующими физико-механическими свойствами
Модуль деформации Eg =30000 кПа (G,=11538 кПа), коэффициент Пуассона v =0.3, коэффициент бокового давления f3g =0.743.
Принимаем баррету со следующими физико-механическими характеристиками материала (железобетон)
Модуль деформации Еь=30000000 кПа, коэффициент Пуассона vg=0.15, коэффициент бокового давления /? =0.947.
Задачу решим аналитическим и численным методами для нагрузок на ростверк р=50, 100, 200, 300, 400, 500 кПа. Численное моделирование производим в ПК PLAXIS 3D 2013.
Для удобства сравнения будем приводить результаты аналитического и численного решений параллельно с дополнением графической информацией для каждой величины нагрузки.
Применение методики аналитического прогнозирования НДС одиночной барреты на примере полномасштабного эксперимента на объекте строительства в Гонконге
Другим объектом, на котором можно апробировать методику определения осадки одиночных баррет является серия проведенных испытаний в Гонконге в бухте Коулун [Lei, 2001]. Было произведено 15 испытаний баррет длиной 40 м размерами в плане 0.8x2.8 м. Барреты опирались на выветрелый гранит (гранитный сапролит), подстилаемый цельной гранитной породой. Нагружение производилось традиционным методом сверху. На рисунке 4.3.1 представлена схема расположения одиночной барреты в грунтовой толще Гонконга. В таблице 4.3 представлены основные физико-механические характеристики грунтов, слагающих рассматриваемую толщу.
При численном моделировании ствол барреты был представлен с помощью модели Linear Elastic с характеристиками Ej=l 8900000 кПа для верхних 20 м барреты и Е2=30000000 кПа для нижней части в соответствии с отчетом об испытаниях. Коэффициент Пуассона барреты принимался v = 0.15. Грунты основания задавались с помощью упругоидеальнопластической модели Кулона-Мора.
Результаты моделирования системы «одиночная баррета — основание» По результатам конечно-элементного моделирования были получены изополя осадок барреты, распределение осевых усилий в баррете и другие параметры НДС рассматриваемой системы. На рисунке 4.3.2 представлена конечно-элементная схема системы и изополя вертикальных перемещений барреты при нагрузке 7000 кПа.
Аналитическое решение:
Выполнялось на основании алгоритма, представленного в главе 4 данной работы п.4.6. Как и в конечно-элементной модели, была выбрана ячейка с размерами, равными 6 длинам соответствующих сторон барреты. В результате были определены необходимые для расчета углы распределения напряжений а и /3, коэффициент влияния формы барреты на осадку штампа (по пяте) - О), коэффициент влияния глубины погружения нижнего конца барреты относительно поверхности рельефа к(1), коэффициенты восприятия нагрузки боковыми сторонами барреты ki и кг. (см.систему уравнений 4.5.8).
Кратко приведем значения этих параметров при размерах барреты в плане 1.5x2.8 м и длине ствола 65.9 м: (0=1.22, а = \6, = 74% k(l)=0.8, к,=0.23 и к2=0.77.
Также для расчета необходимы значения средневзвешенного модуля сдвига грунта по боковой поверхности и под пятой барреты: G6oK=6230 кПа, GMTa= 19690 кПа.
Для определения предполагаемых зон пластической деформации необходимо построить эпюру предельных касательных напряжений т по боковой поверхности барреты. Для этого применялся закон Кулона. На той же схеме построим эпюру мобилизованных касательных напряжений ттоЬ и найдем зону предполагаемой пластической деформации. Произведем эти построения для нагрузок 6000 кН и 7000 кН как для наибольших в испытаниях, при которых зоны пластических деформации должны иметь наибольшее значение. Полученные схемы представлены на рис.4.3.3.
Кратко приведем основные этапы расчета в соответствии с алгоритмом п.4.6. Нагрузка на баррету: N=6000 кН, р=6000/2.24=2678.6 кПа - распределенная нагрузка на уровне оголовка барреты.
Найдем необходимые параметры в соответствии со схемой на рис.5.3.3 и определим компоненты осадки барреты.
1) Найдем значения напряжений, превышающих предельные касательные напряжения на участках пластического поведения. Д/У, =142.4 кПа, AN2= 32.69 кПа. Рассматриваемый случай относится к случаю средних нагрузок на баррету, то есть часть нагрузки, не воспринятая боковой поверхностью (на которой возникли зоны пластических деформаций), воспринимается нижележащей боковой поверхностью, имеющей резерв несущей способности. На пяту барреты отдельной нагрузки от пластических деформаций на переходит.
Итого общая осадка барреты составляет S=l 1 мм. Осадка в соответствии с реальными испытаниями SPean=17 мм. Результаты аналитического расчета имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными. Для нагрузок N=1000,2000,3000,4000,5000 кН пластическая составляющая осадки не находилась по причине ее крайней малости, так как при большей нагрузке в 6000 кПа она составляла всего 0.34 мм. Осадки барреты при этих нагрузках складывались только из упругого уплотнения грунта и сжимаемости ствола барреты. Результаты расчетов представлены на рис. 4.3.4.
Также было рассмотрено распределение осевого усилия в баррете по длине сваи. Как и по результатам полномасштабных испытаний, аналитический и численный расчеты показывают серьезное падение осевого усилия в направлении от оголовка барреты к ее пяте (см. рис.4.3.5). Такое уменьшение осевого усилия связано с работой боковой поверхности барреты, которая воспринимает все большую часть от нагрузки, приложенной сверху. Поэтому пята баррет при большой длине ствола чаще всего оказывается недогруженной.
