Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Актуальные проблемы моделирования НДС свиных фундаментов 15
1.1. Современное представление о взаимодействии свайного фундамента с основанием 15
1.2. Методы расчета свайных фундаментов 22
1.2.1. Расчет несущей способности группы свай по 1-ому предельному состоянию (по прочности грунта) 23
1.2.2. Расчет группы свай по П-ому предельному состоянию (по деформациям) 29
1.2.3 Методы расчета свайных фундаментов с учетом упругопластических деформаций 41
1.3. Выводы по главе 44
Глава 2 Теоретические основы расчета ндс грунтов основания свайного ростверка 47
2.1. Общие положения 47
2.2. Математические основы численного моделирования НДС системы «основание- фундамент сооружения» 49
2.3. Основные элементы численного моделирования НДС массивов грунтов 54
2.3.1. Основные принципы 54
2.3.2 Выбор программного комплекса, реализующего МКЭ 55
2.3.3. Модель грунта, применяемая при расчетах НДС 55
2.4. Верификация принятого метода численного моделирования на основании натурных испытаний 58
2.5. Выводы по главе 65
Глава 3 Расчетно-теоретическое обоснование возможности применения метода приведенного модуля грунто-свайного массива при расчете свайных фундаментов 66
3.1. Принцип определения приведенного модуля деформации грунто-свайного массива 67
3.2. Анализ вариации величины ПМД в зависимости от различных условий формирования НДС системы свая — фрагмент ростверка-грунт межсвайного пространства 72
3.2.1. Использование МКЭ при определении ПМД ГСМ 72
3.2.2. Планирование экспериментальных исследований определения ПМД ГСМ на основе двух выдвинутых гипотез 73
3.2.3. Влияние основных факторов формирования модели на вариацию величины ПМД ГСМ 83
3.3. Типизация анализируемых задач 89
3.4. Анализ тестовых задач 92
3.4.3. Изучение особенностей взаимодействия свайного фундамента с грунтовым массивом 96
3.5. Оценка точности расчета свайного фундамента, смоделированного объединенным ГСМ по предложенной методике, на примере турбогенератора ТГ-4К-210 109
3.6. Выводы по главе 114
Глава 4 Применение метода ПМД ГСМ в расчетах НДС свайных фундаментов промышленных и гражданских сооружений 116
4.1. Введение 116
4.2. Применение методики ПМД при проектировании многофункционального высотного комплекса в г. Казани 117
4.3. Применение методики ПМД при проектировании высотных комплексов в г. Москве 122
4.4. Применение методики ПМД при проектировании корпуса ПГУ-400
на Шатурской ГРЭС 126
4.5. Применение методики ПМД при проведении геотехнического расчета Объекта строительства Административно-делового центр в городе Санкт-Петербурге 130
4.6. Внедрение методики ПМД в нормативные документы по проектированию оснований и фундаментов 132
4.7. Выводы по главе 133
Основные выводы 134
Список литературы 136
Приложения 148
- Расчет несущей способности группы свай по 1-ому предельному состоянию (по прочности грунта)
- Математические основы численного моделирования НДС системы «основание- фундамент сооружения»
- Анализ вариации величины ПМД в зависимости от различных условий формирования НДС системы свая — фрагмент ростверка-грунт межсвайного пространства
- Применение методики ПМД при проектировании многофункционального высотного комплекса в г. Казани
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время при возведении высотных зданий и сооружений,
которые передают значительные нагрузки на грунты основания и конструкции которых являются чувствительными к неравномерным осадкам, часто используются свайные фундаменты большой площади, представляющие собой поле из буронабивных свай (не менее 100), объединенных жестким ростверком, при этом расстояние между сваями не превышает 3-4 диаметра. При расчете подобных фундаментов по П-ому предельному состоянию инженерам-проектировщикам приходится сталкиваться с рядом сложностей. Так, например, для расчета крена требуется учитывать неоднородность напластования грунтового массива, а значит, необходимо с максимальным приближением к реальности смоделировать взаимодействие основания со свайным фундаментом.
Следует отметить, что несущая способность свайных фундаментов часто недоиспользуется из-за отсутствия надежных методов проектирования по предельным состояниям. Существующие методы расчета свайных фундаментов достаточно условны. Как правило, количество свай для фундаментной конструкции определяют расчетом по принципу простого суммирования несущей способности одиночных свай, полагая, что предельная несущая способность группы свай является простым сложением предельной несущей способности одиночной сваи.
Совершенствование конструкций свайных фундаментов и снижение их стоимости возможны лишь на основе более полного учета взаимодействия свай при количественной оценке НДС грунто-свайного массива.
Реализация количественной оценки НДС свайного фундамента с большим числом свай (не менее 100) возможна только методами численного
моделирования (например, МКЭ) с помощью специализированных программных комплексов.
В соответствии с МГСН [108] расчеты в сложных случаях (сложная геометрия конструктивного объема здания в плане и по высоте, значительные по величине внецентренные нагрузки, существенная неоднородность строения и свойств грунтов основания и др.) следует выполнять в пространственной постановке, т.е. с использованием программных комплексов, реализующих расчет задач в трехмерной постановке методом конечных элементов.
Однако, большинство программных комплексов несовершенны и имеют ряд ограничений: отношение размера минимального конечного элемента к размеру всей модели, резкое увеличение продолжительности расчета, связанное с обработкой большого числа конечных элементов, что в свою очередь вызывает необходимость использования мощных вычислительных машин. Кроме того, необходимо учесть нелинейные свойства деформирования грунтов, слагающих неоднородный массив. В связи с этим возникает необходимость разработки новых методов расчета НДС свайных фундаментов, которые * позволили бы упростить алгоритм и сократить время расчета.
Цель данной диссертационной работы. Целью настоящей работы является изучение, развитие и совершенствование существующих методов количественной оценки взаимодействия группы свай с грунтовым массивом в составе свайного фундамента, с учетом различных факторов (шага, длины, диаметра свай, величины прикладываемой нагрузки и др.), что позволяет реализовать оптимизацию конструкции фундамента путем управления (регулирования) жесткостью свайно-грунтового массива.
Для этого в качестве расчетной модели рассматривается грунто-свайный массив (ГСМ), взаимодействующий с основанием, а также окружающим грунтом, и имеющий конечную жесткость, которая характеризуется приведенным модулем деформации (ПМД).
Основные задачи, исследований. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие работы:
Проанализированы существующие методики расчета свайных фундаментов с целью обзора современной проблематики анализа работы и моделирования масштабных свайных ростверков;
Сформулированы теоретические основы расчета НДС грунтов основания и свайного ростверка и осуществлено обоснование применимости методики численного моделирования;
Выбраны параметры расчетной упруго-пластической нелинейной модели грунтов основания;
Произведена верификация принятого метода математического моделирования на основании данных натурных испытаний свай большой длины;
Разработана методика определения параметра ПМД; призванного заменить жесткостные характеристики ГСМ на основании рассмотрения НДС фрагмента свайного фундамента с одной сваей;
Выполнен планированный эксперимент математического моделирования НДС системы фрагмент свайного фундамента - массив грунта;
Предложены варианты моделей свайного фундамента в виде объединенного, армированного сваями грунтового массива с приведенными жесткостными характеристиками;
Произведен анализ результатов расчета свайных ростверков, состоящих из 9, 25, 35, 49, 63 и 81 свай, с использованием предложенных вариантов моделирования ГСМ;
Реализовано сопоставление полученных результатов со значениями, полученными в ходе моделирования работы свай в аналогичной фундаментной конструкции при помощи дискретных объемных элементов;
Для оценки, точности расчета свайного фундамента по выбранной методике моделирования ГСМ произведены расчеты фундаментной
существующей конструкции. Результаты расчета сопоставлены с данными натурных наблюдений и величинами осадок, полученными аналитическим методом по модели грунтового массива ограниченных размеров З.Г. Тер-Мартиросяна.
Достоверность результатов исследований основывается на использовании данных, полученных при мониторинге объектов строительства, то есть на результатах многолетних наблюдений за осадками существующих зданий, а также на экспериментальных и теоретических исследованиях, натурных испытаниях взаимодействия свай с грунтом, в том числе современных методах строительной механики и механики грунтов.
Научная ценность работы заключается в разработке научно обоснованного метода количественной оценки взаимодействия группы свай с грунтовым массивом в составе свайного фундамента, необходимого для расчета массивных фундаментных конструкций сложной формы при их взаимодействии с грунтовой средой. Для реализации расчетов указанных задач, при построении геомеханической модели грунто-свайный массив (ГСМ) заменяется линейно-деформируемой средой с приведенным модулем деформации (ПМД). ПМД отражает жесткость ГСМ и учитывает взаимодействие свай и грунта межсвайного пространства. При этом ГСМ представлен в виде массива, обладающего конечной жесткостью, что в значительной степени приближает модель к реальным условиям работы свайного фундамента, особенно в случае применения свай большой длины. Наряду с этим, рассматривается возможность использования приведенного модуля в случае, когда грунтовая толща многослойная.
Научная новизна данной работы заключается в том, что:
1. Предложено и дано расчетно-теоретическое обоснование модели свайного фундамента в виде грунто-свайного массива (ГСМ), имеющего конечную жесткость.
2. Грунто-свайный массив представлен в виде однородной линейно-
с
деформируемой среды с приведенными жесткостными характеристиками при расчете свайных фундаментов большой площади с большим количеством свай (более 100) полвторому предельному состоянию, при расстоянии между сваями 2-4 диаметра.
Предложены принцип и методика определения величины приведенного модуля деформации (ПМД) грунто-свайного массива.
На.основании анализа планирования эксперимента определены основные и определяющие факторы, влияющие на величину ПМД:
Рассмотрены возможные варианты применения? разработанной методики; определения ПМД- при расчете свайных фундаментов реальных объектов строительствапо второму предельному состоянию.
Практическое значение работы. Полученные в диссертационной\ работе результаты исследований позволяют:
Г. рекомендовать новуюмодельсвайного фундамента в виде объединенного грунто-свайного массива, имеющего конечную жесткость, для упрощения расчета свайных фундаментов с большим количеством свай по второму предельному состоянию;
определить приведенный модуль деформации грунто-свайного массива, с учетом длины, шага, диаметра свай, величины приложенной нагрузки и особенностей геологического строения площадки строительства;
выбрать оптимальную величину приведенного модуля деформации грунто-свайного массива;
учесть неоднородность напластования грунтового массива при моделировании массивных свайных ростверков сложной конфигурации;
дать, научно-обоснованное решение задач при расчете и проектировании фундаментов зданий и сооружений, имеющих в основании: грунто-свайный массив с большим числомісвай;
снизить продолжительность конечно-элементного расчета, связанную с обработкой сложных математических моделей и требующую использования мощных вычислительных машин;
решать широкий спектр задач, связанных с определением степени влиянием работы возводимых свайных фундаментов на объекты окружающей застройки;
обеспечить безопасность эксплуатации зданий и сооружений повышенной ответственности (этажности) за счет наиболее полного прогнозного моделирования-сложной геомеханической системы;
рекомендовать изученный метод для расчета свайных фундаментов-многофункциональных высотных зданий и комплексов с целью выполнения п. 6.24 МГСН 4.19-2005.
Реализация работы. Предложенный метод расчета свайных фундаментов разработан на кафедре МГрОиФ МГСУ и применен при расчете конструкции' фундаментов зданий-для реальных объектов строительства г. Москвы, г. Санкт--Петербурге, г. Казани и г. Шатуры.
Результаты выполненной работы будут использованы в практике научно-исследовательских работ на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов (МГрОиФ) МГСУ, а также при разработке положений пособия по архитектурно-конструктивным решениям высотных зданий к МГСН 4.19-2005 «Временные Нормы и Правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в г. Москве» с целью применения результатов исследования в инженерной практике.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались: на 2-й Научно-технической конференции пользователей Plaxis (С-Петербург, 26-27 июня 2007г.), на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (С-Петербург, 16-19июня 2008г.), на XII Международной межвузовской конференции- «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 15-22 апреля 2009).
На защиту выносится:
Расчетно-теоретическое обоснование модели свайного фундамента в виде однородной линейно-деформируемой среды с приведенными жесткостными характеристиками для расчета свайных ростверков с большим количеством свай по П-ому предельному состоянию при расстоянии между сваями 2-4 диаметра.
Методика определения величины приведенного модуля деформации (ПМД) объединенного грунто-свайного массива (ГСМ).
Способ представления ГСМ в виде однородной линейно-деформируемой среды.
По теме диссертации опубликовано 4 статьи. Основные из них: «Применение методики приведенного модуль деформации при расчете массивных свайных ростверков в основании высотных зданий», Вестник МГСУ Выпуск 2, 2008г.; «Опыт расчета и конструирования фундаментов высотных зданий в глубоких котлованах в сложных инженерно-геологических условиях», Вестник МГСУ Выпуск 2, 2008г.
Автор искренне благодарит своего научного руководителя, заслуженного деятеля науки РФ, академика АВН РФ и Нью-Йориской АН, заведующего кафедрой механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ, почетного профессора МГСУ, доктора технических наук Тер-Мартиросяна З.Г., а также выражает признательность всем сотрудникам кафедры МГрОиФ за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей диссертационной работы.
Расчет несущей способности группы свай по 1-ому предельному состоянию (по прочности грунта)
Характер передачи нагрузки на грунт одиночной сваей и сваей в группе различный и зависит от числа свай в группе, расстояния между сваями, относительного заглубления свай и грунтовых условий. Следовательно, работа одиночной сваи не может в полной мере отражать характера работы свай в группе. Существующие методы расчёта несущей способности свайных фундаментов можно разделить на три группы: 1. Методы, основанные на определении несущей способности одиночной сваи. 2. Методы, в которых, принято, что свайный фундамент работает как единый массив. 3. Методы, учитывающие взаимное влияние свай в группе. Первая группа: метод расчёта несущей способности свайных фундаментов, рекомендуемый СНиП [105]. В общем виде несущая способность определяется как: где: N- расчётная сжимающая сила в плоскости подошвы свайного ростверка; п - число свай в свайном фундаменте; Р - несущая способность одиночной сваи. Согласно этому методу нагрузка на группу принимается равной сумме несущих способностей одиночных свай. Таким образом, данный метод не учитывает совместной работы свай. Вторая группа: методы, предложенные Терцаги К. [75], Пеком Р.Б. [65], Дорошкевич Н.М. [38] и др. Терцаги К. [75] рекомендует проверять несущую способность группы свай, имеющей в плане форму круга по формуле: где: Qc - несущая способность группы свай, т; Df- глубина забивки свай, м; S - среднее удельное сопротивление сдвигу грунта между поверхностью грунта и Df, т/м2; Qa. - предельная несущая способность основания цилиндрической опоры с радиусом г и глубиной Df.
Определяется она на основе теорий предельного равновесия по формуле: Ne ,Nq, N7- коэффициенты несущей способности. Для групп свай, имеющих квадратную форму в плане, Терцаги К. [ ] приводит следующую формулу: где: В - ширина фундамента. Терцаги К. [75] считает, что куст свай будет устойчив при условии, если суммарная расчётная нагрузка на свайный фундамент (число свай, умноженное на расчётную допускаемую нагрузку на сваю) не превышает —. При этом рекомендуется принимать расчётную нагрузку на сваю с коэффициентом запаса 2.5 + 3 от предельного сопротивления грунта основания сваи. Однако формулы Терцаги К., (1.4) и (1.5), дают завышенные величины несущих способностей групп. В них условно принято два допущения: величина трения по боковой поверхности группы принимается равной предельному трению грунта по боковой поверхности одиночной сваи и распределение нагрузки в плоскости нижних концов свай считается равномерным, то есть не учитывается концентрация напряжений непосредственно под остриём каждой сваи и снижение возможности передачи нагрузки стволом сваи. Пек Р.Б. [65] предлагает следующую формулу для определения несущей способности группы свай в глинистых грунтах: где: Q - предельная нагрузка на куст; F - площадь группы свай в плоскости нижних концов свай; р - периметр группы свай; qn- прочность грунта при одноосном сжатия; qa- предельное давление на грунт в плоскости нижних концов свай, определяемое по приближенной формуле: Автор рекомендует принимать коэффициент запаса=3. Дорошкевич Н.М [38] предлагает следующую формулу: где: Qw - предельная несущая способность свайного фундамента в целом; Рос - предельное сопротивление грунта под нижними концами свай; п - число свай в фундаменте; / - коэффициент удельного трения по боковой поверхности свайного фундамента. Предельное сопротивление грунта под нижними концами свай Рж автором рекомендуется определять по формулам, учитьшающим предельное состояние грунта, а для определения /" введен коэффициент снижения величины трения по боковой поверхности свайного фундамента по сравнению с одиночной сваей. Для приближенных расчётов при расстоянии между сваями 3- 4 диаметра его рекомендуется принимать равным 0,3. Схема, в которой принято, что свайный фундамент работает как единый массив, может быть принята для плотных грунтов и в случае, когда расстояние между сваями небольшое. Третья группа: методы, направленные на реализацию возможности учета взаимного влияния свай в группе. Формула для оценки.изменения несущей способности групповой сваи, по сравнения с одиночной, предложенная Хамовым АЛ. [86] имеет вид: п - количество свай в свайном фундаменте; т - отношение несущей способности (НС) сваи по боковой поверхности к НС острия сваи СоК Р - расстояние между краями свайного фундамента, выраженное в размерах стороны поперечного сечения (для прямоугольного фундамента считается по наибольшей стороне); к - расстояние между краями прямоугольного свайного фундамента.
Математические основы численного моделирования НДС системы «основание- фундамент сооружения»
С целью создания наиболее полной картины методки проводимого исследования следует рассмотреть математические основы численного моделирования НДС системы «основание-сооружение». На эту тему имеются многочисленные публикации, в частности, работа Зенкевича O.K. [46].
Как известно, в расчетах взаимодействия свай с грунтовым основанием при воздействии только вертикальных сил рассматривается трехмерная задача, которая решается интегрированием системы дифференциальных уравнений равновесия и неразрывности совместно с физическими уравнениями в координатах х, у, z, удовлетворяющие начальным и граничным условиям.
Равновесие элементарного объема грунта, как при статическом, так и динамическом нагружении выражается условием: или в векторной формуле: вектор компонента тензора напряжений, р — вектор внутренней объемной силы, 1? -матрица-оператор, где индекс Т обозначает транспозицию матрицы. На граничной поверхности области справедливо равенство: или в векторной форме: Связь между перемещениями узлов и деформациями задается на основании соотношений Коши зависимостью: где є - вектор деформаций; и- вектор перемещений узловых точек рассматриваемого элемента; - матрица-оператор. В механике деформируемых сред напряжения и деформации связаны законом Гука: где а - вектор компонента скорости тензора напряжений; є - вектор компонента скорости тензора деформаций; М- матрица-оператор. Известно, что принцип виртуальной работы, утверждает, что сумма действия всех внешних и внутренних сил при любом виртуальном перемещении точек тела, на которое эта система сил воздействует, равна нулю. Это условие выражается уравнением [110]; Изменения напряжений записываются в виде: Подставив (2.8) в (2.9), получают: В МКЭ, поля возможных перемещений принимаются следующим образом: где N - матрицы, так называемой, функции формы; v- векторы узловых смещений. Подставив (2.11) в (2.6), получим: Подставив (2.12) в (2.10), получим: В дальнейшем будем считать, что относительные пластические деформации малы и не значительно превышают величину упругих деформаций. Ассоциированный закон течения обобщает теории пластического течения путем введения потенциала пластичности g. Частная производная от g пропорциональна приращению пластических деформаций: где dk 0 - бесконечно малый скалярный множитель. Согласно классической теории пластичности [45], приращения пластических деформаций пропорциональны производной функции текучести относительно напряжений. Для идеально пластической среды в пространстве напряжений сг/у, имеется поверхность текучести f(crlj) = K (где К 0) ограничивающая область упругих деформаций, для которых/ /. Пластическому течению соответствуют напряжения, находящиеся на поверхности текучести. Если принимается, что функция текучести и пластический потенциал совпадают (g=f), тогда уравнение (2.14) записывается в виде [70]: Зависимость (2.15) называется ассоциированным законом пластического течения, поскольку связывается (ассоциируется) с условием текучести. Этот закон позволяет рассматривать общее уравнение пластичности путем введения различных форм поверхности текучести. Как отмечает З.Г. Тер-Мартиросян [70], для грунтовой среды существенным является определение не самой поверхности текучести, достаточно хорошо изученной, а формы поверхности нагружения, т.к. она дает возможность оценить пластические деформации при напряжениях, меньших пределов текучести. Вместе с тем, в процессе нагружения и последующего деформирования грунт уплотняется, упрочняется, приобретает свойство анизотропии, известное как эффект Баушингера, и поверхность нагружения расширяется. В своей работе [70] З.Г. Тер-Мартиросян показал, что в теории упрочняющегося пластичного тела рассматривается поверхность нагружения (сгу), отделяющая в пространстве напряжений atJ область упругого деформирования от области пластического деформирования (см. рис. 2.2). Начальная поверхность нагружения грунтов в условиях естественного залегания формируется в процессе генезиса и обусловлена структурными связями. Кроме того, поверхность нагружения грунтовой среды является замкнутой, т.к. при гидростатическом обжатии также возникают пластические деформации. З.Г. Тер-Мартиросян [70] отмечает, что в процессе нагружения грунтов начальная поверхность g ip- ) расширяется и, в конце концов, приближается к поверхности текучести. Бесконечно малое приращение dau (догружение) приводит либо к упругой деформации, либо к продолжающейся пластической деформации. Если datJ направлено внутрь g(crv), то наблюдается разгрузка; что приводит к упругим деформациям, если наружу - нагружение, приводящее к пластическим деформациям; если по касательной к этой поверхности -нейтральное нагружение, что также приводит к упругим деформациям. Последнее условие необходимо для непрерывного перехода от упругого деформирования к пластическому и наоборот, при непрерывном изменении вектора догружения dorIJ. Формы и размеры поверхности нагружения зависят от текущего НДС, истории формировании массива грунта, его плотности-влажности, гранулометрического состава. В настоящее время существуют различные теории пластического течения с упрочнением, в основе которых лежат разные формы и размеры поверхности нагружения, начиная от исходной. Наибольшую трудность представляет определение формы и размеры- исходной поверхности нагружения.
Анализ вариации величины ПМД в зависимости от различных условий формирования НДС системы свая — фрагмент ростверка-грунт межсвайного пространства
Расчет с использованием МКЭ позволяет определить значения осадок в заданных контрольных точках системы «Свая — фрагмент ростверка - грунт» межсвайного пространства (см. рис. 3.2).
Принципы формирования геометрических параметров изучаемого фрагмента ростверка и сваи приведены в п.3.1.
Расчет тестовых задач и определение величин характерных жесткостных характеристик ПМД производился на программе Plaxis 3D Foundation. Особенностям данного программного комплекса посвящена глава 2 настоящей работы. Характеристики грунта, принимаемые в расчете следующие: угол внутреннего трения (ф), сцепление (С), модуль общей линейной деформации (Е), коэффициент Пуассона (v), удельный вес (у); и коэффициент пористости (е). Трение по боковой поверхности сваи моделировалось с использованием программного элемента interface, вступающего в действие в момент превышения касательных усилий бокового давления обжатия. Данный параметр характеризуется величиной угла внутреннего трения, сцеплением и углом делатансии. Последняя характеристика в проведенных расчетах не учитывалась.
Была принята следующая этапность проведения расчетов: 1) Initial phase: Создание в массиве грунта природных напряжений, на основании данных о собственном весе грунта, с последующим обнулением деформаций. 2) Phase 1: Введение в расчетную схему сваи и фрагмента ростверка путем замены элементов с параметрами грунта, ширина которых равна стороне сечения сваи и площади ростверка соответственно, на элементы с параметрами железобетона с последующим приложением внешней нагрузки.
Для определения минимально необходимого количества экспериментов, следует произвести выбор оптимального пути исследования, что возможно при обработке результатов предварительных опытов с помощью средств математического планирования. При этом меньшее внимание должно уделяться исследованию факторов, слабо влияющих на протекание исследуемых физических процессов, а факторы практически не влияющие, должны быть заведомо исключены.
Так в предварительных экспериментах было установлено, что на значение ПМД могут оказывать влияние следующие параметры задач: длина свай, относительное расстояние между сваями (a/d), характеристики грунтов, слагающих массив, величина нагрузки, приложенной на ростверк.
Для решеншгтестовых задач был принят двухслойный массив грунта. В данных условиях складываются такие параметры формирования деформационных признаков системы- основание — фундамент, что варьирование механическими характеристиками слоя грунта под нижним концом оказывает большее влияние, чем слоя, расположенного по длине сваи. Поэтому было принято решение задать малые значения прочностных и деформационных характеристик для верхнего (слабого) слоя грунта (с=10кПа, ф=15, Е=5МПа, v=0,32) и уделить большее внимание свойствам нижнего (несущего) слоя грунта.
Таким образом; на основе рандомизированных опытов и априорных представлений, в качестве независимых переменных выбраны: XI -отношение длины сваи к диаметру (l/d)\ Х2 -относительное расстояние между сваями, (a/d); ХЗ — характеристики грунта под острием сваи; Х4 — нагрузка на ростверк, уровни и интервал которых приведены в-табл. 3.1. Планирование эксперимента было проведено для двух случаев определения ПМД (согласно предложенным формулам 3.1 и 3.2) в соответствии с методикой полного факторного эксперимента, для двухуровневых факторов, изложенных в работе [1,68]: Зависимыми переменными (откликами), в соответствии с задачей экспериментальных исследований, являлись определения значений осадок в контрольных точках (см. рис.3.3) и расчет приведенного модуля деформации (ПМД) согласно предложенным ранее формулам (3.1 и 3.2). Каждый отклик есть функция -переменных — факторов: Yi=f(XvX2,...yxk)} где/- функция отклика. Разброс значений откликов не должен превышать точности эксперимента. На первом этапе исследований осуществлялось варьирование всеми вышеперечисленными факторами. Был построен план полного факторного эксперимента для двух вариантов ПМД, который в кодовом масштабе приведен в таблицах 3.2 и 3.3. Последовательность обработки результатов осуществлялась в соответствии с методикой Ю.П.Адлера, А.Г.Сергеева и других [1,68].
Применение методики ПМД при проектировании многофункционального высотного комплекса в г. Казани
Для прогноза возможности крена фундамента высотного жилого комплекса «Лазурные небеса» в г. Казани, на кафедре МГрОиФ было принято решение представить свайное поле как объединенный грунто-свайный массив с приведенными жесткостными характеристиками. Расчеты по данной работе [102] были выполнены аспирантом кафедры, инженером Беспаловой А.В: под руководством Тер-Мартиросяна З.Г.
Объект строительства представляет собой здание высотой 126,8 м от уровня дневной поверхности земли (35 этажей) с трехуровневой подземной автостоянкой. Развитая стилобатная часть отделена от высотной деформационным швом.
Данные об ИГУ рассматриваемой строительной площадки получены на основе предоставленных ООО НПК «ПромБурСервис» инженерно-геологических материалов по объекту в 2006 г. Номера ИГЭ элементов, указанные на разрезе (см. рис. 4.3.), соответствуют обозначениям, использованным для ввода данных о физико-механических свойствах грунтов основания в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation. Физико-механические свойства грунтов представлены в таблице на рис. 4.2.
В ходе ИГИ со дна котлована было пробурено 6 скважин до глубины 35-43м от дна котлована. По данным бурения выявлено, что в геологическом строении площадки принимают участие нижнечетвертичные аллювиально-деллювиальные отложения, представленные глиной твердой ИГЭ № 2а, суглинком полутвердым, твердым ИГЭ № За, супесью твердой ИГЭ № 4а, песком пылеватым маловлажным ИГЭ № 5, песком мелким маловлажным ИГЭ № 6
Фундаментная конструкция, разработанная проектировщиками, представляет собой масштабный свайно-грунтовый массив сложной конфигурации, устраиваемый в котловане переменной глубины (глубина 12 м). Свайное поле состоит из буронабивных свай диаметром 750 мм и длиной 10 м и 28 м, сваи объединены ростверком толщиной от 1500 - 3000 мм в области опирания ядра, жесткости надфундаментной конструкции, до 1000мм на краях плиты. Под центральной частью плиты запроектировано устройство 174 буронабивных свай диаметром 750 мм и длиной. 28 м с шагом 2400 мм, по периметру под краями плиты размещены 270 буронабивных свай диаметром 750 мм и длиной 10 м (рис. 4.1,а). Высотная часть здания в плане представляет собой два сегмента окружности, сдвинутые по своей продольной оси, протяженность плиты ростверка в направлении удлинения составляет 65 м. При этом расположение свайв плане является однородным, за исключением небольших участков периферийных зон плиты, где сваи расположены в соответствии с ориентацией несущих конструкций подземного этажа.
Одним из основных геотехнических вопросов проектирования стал прогноз возможного крена фундаментной конструкции, главным образом, величина возможной неравномерности осадок. Связанно это с тем, что в соответстии с данными инженерно-геологического строения участка (см. рис. 4.3) и таблицей физико-механических свойств грунтов основания (см. табл. на рис. 4.2.) в направлении наибольшей длины фундамента наблюдается значительное нарушение горизонтальности залегания ИГЭ № 5 (перепад мощности от 19,1 м до 4,6 м), модуль деформации которого в два, раза превышает соответствующий параметр для остальных подстилающих слоев. Также наблюдается выклинивание слоев ИГЭ №№ 2а, За и 5 с глубины 22 м от дна котлована.
Как известно, с избыточным давлением на грунты основания для высотного здания размер предельно допустимой осадки определить достаточно сложно, даже небольшая неравномерность осадок может повлечь за собой возникновение недопустимого крена.
В решении вышеозначенной проблемы принимали участие сотрудники кафедры МгрОиФ, МГСУ. Специфика задачи определила особенности модели принятой при ее решении численным методом, а именно, было проведено наиболее точное моделирование характера напластования грунтов в массиве и определены две величины ГТМД для сваи длиной 10 м и для сваи длиной 28 м.
Определение деформационных характеристик ГСМ в соответствии с методикой, рассматриваемой в данной работе, проводилось на основании расчета осадки одиночной сваи и определения сжимаемости сваи вместе с окружающим фунтом. При этом для расчета сваи длиной 1 Ом приняты фунтовые характеристики по скважине № 8, так как до глубины 10 метров от дна котлована под краями фундамента наблюдается однородность в инженерно-геологическом строении, а для свай длиной 28 м приняты инженерно-геологические характеристики по скважине № 5, расположенной в центре котлована.
При создании расчетной модели были учтены особенности инженерно-геологического - строения основания (см. рис. 4.3) путем задания 6 буровых колонок, расположенных в соответствии с предоставленной схемой. Надо отметить, что геомеханическая модель массива грунта неоднородна по глубине и по простиранию , т.е. слои не выдержаны, а иногда наблюдается выклинивание в пределах площадки строительства. Так как глубина разведки по инженерно-геологическим изысканиям составляет максимально 35 — 43 м массив песка мелкого маловлажного в расчетной модели взят до глубины 100м.
Свайно-грунтовый массив представлен в виде линейно-деформируемой среды, обладающего приведенной характеристикой модуля деформации (рис. 4.1 б): modul 1— сваи длиной 10 м, modul 2 - сваи длиной 28м. Значения модуля деформации и коэффициента Пуассона грунто-свайного массива, а также бетона ростверка, для расчетной модели представлены в таблице 4.1.
