Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований работы свай в свайных фундаментах 11
1.1. Экспериментальные исследования совместной работы спаи и фундаменте 11
1.2. Экспериментальные исследовании но изучению влияния низкого ростверка на работу и несущую способность спайных фундаментов . 16
1.3. Учет работы низкого ростисрка при расчете свайно-плитных фундаментов 25
Выводы но главе 32
ГЛАВА 2. Численное моделирование работы свайных фундаментов 34
2.1. Основные положения метода конечных элементов 36
2.2. Основные уравнения для описания деформаций грунта ш основе упруго пластической модели 42
2.3. Сравнение результатов натурных экспериментов с расчетами выполненными методом конечных элементов 46
2.3.1. Геологические условия экспериментальных площадок, краткое описание опытных фундаментов 47
2.3.2. Численные расчеты системы «свайный фундамент-массив грунта» 50
2.3.3. Результаты численных расчетов и их сопоставление с результатами натурных испытаний 56
2.3.4. Сопоставление результатов расчетом одиночных свай натурных испытаний 59
Выводы по главе 66
ГЛАВА 3. Исследование влияния параметров свайного фундамента на работу низкого ростверка 67
3.1. Состав численного эксперимента, исходные данные 68
3.2. Основные положения теории планирования эксперимента 76
3.3. Математическая модель эксперимента 81
3.4. Оценка параметров модели
3.4.1. Расчет дисперсии опытом 83
3.4.2. Расчет коэффициентов регрессии 86
3.4.3. Проверка адекватности модели 87
3.5. Анализ модели 89
3.6. Результаты численных исследований и их анализ 92
Выводы по главе 102
ГЛАВА 4. Оптимизация проектных решений параметров свайных фундаментов 104
4.1. Методы решения задач оптимизации 104
4.2. Методы оптимального проектирования строительных конструкций 106
4.3. Постановка задачи оптимизации и метод ее решения 109
4.4. Общий вид задачи оптимизации . 113
4.5. Алгоритм оптимального проектирования 121
4.6. Пример определения оптимальных параметров свайного фундамента по предложенному алгоритму 124
Выводы по главе 126
Основные выводы 128
Список литературы 130
- Экспериментальные исследовании но изучению влияния низкого ростверка на работу и несущую способность спайных фундаментов
- Геологические условия экспериментальных площадок, краткое описание опытных фундаментов
- Основные положения теории планирования эксперимента
- Пример определения оптимальных параметров свайного фундамента по предложенному алгоритму
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Проблема рационального проектирования свайных фундаментов является актуальной в области современного фундаментостроения поскольку, как показывает практика, доля затрат на возведение конструкций подземных частей зданий и сооружений на свайных фундаментах может составлять до 20% от общего объема бетона и железобетона, применяемого при строительстве.
Одним из важнейших направлений повышения экономической эффективности свайных фундаментов является совершенствование методов их расчета и проектирования. Достижения отечественных и зарубежных ученых (П.А.Аббасов, М.Ю.Абелев, В.А.Барвашов, А.А.Бартоломей, Б.В.Бахолдин, В.Г.Березанцев, В.Н.Голубков, A.Л.Готман, А.А.Григорян, Б.М.Далматов, Н.М.Дорошкевич, К.Е.Егоров, Ю.К.Зарецкий, В.В.Знаменский, С.В.Курилло, А.В.Пилягин, Е.А.Сорочан, С.Б.Ухов, А.Б.Фадеев, В.Г.Федоровский, В.И.Шейнин, I.Birnbaum, Y.H.Chen, T.D.Davis, S.Geffen, H.-G.Kempfert, H.Kishida, H.L.Liu, G.Meyerhof, R.B.Peck, H.G.Poulos, O.Reul, S.M.Saeyd, A.Schmitt, A.W.Skempton, W.F.Van Impe, A.S.Vesic, H.Whitaker и др.), изучавших различные аспекты работы свайных фундаментов, позволили проектировщикам и строителям успешно решать сложные задачи проектирования и возведения сооружений в сложнейших условиях, учитывая при этом необходимость сокращения сроков строительства и экономии средств. Решению поставленных задач способствовало и развитие численных методов расчета, широко используемых в современном проектировании. Нельзя не отметить и вклад проектировщиков и строителей, которые способствовали внедрению новых научных разработок и методов расчета, дали путевку в жизнь современным технологиям устройства свай, обеспечили проверку их на практике, способствовали развитию свайного направления в современном фундаментостроении.
Благодаря совместным усилиям ученых, проектировщиков и строителей был достигнут значительный прогресс как в этой области строительства, так и в строительстве в целом, что позволило вывести проектирование свайных фундаментов на современный уровень.
Наряду с научными достижениями, развитием новых технологий и технической базы строительства немаловажное значение для повышения экономической эффективности применения свай является и поиск их оптимального проектного решения. Так, одну и ту же несущую способность свайного фундамента можно обеспечить различным путем: увеличить размер поперечного сечения свай, но уменьшить их длину, не менять длину, но за счет увеличения сечения свай уменьшить их число в фундаменте и т.д., т.е. практически всегда существует возможность выбора оптимального решения, но оно далеко не всегда очевидно, что и поставило вопрос о разработке алгоритма его поиска, учитывающего не только взаимовлияние свай при их совместной работе в составе фундамента, но и участие в работе низкого ростверка. Однако, если взаимовлияние свай в фундаменте как экспериментально, так и в теоретическом плане в значительной мере изучено, что позволяет учесть его в расчетах в виде поправочных коэффициентов к несущей способности сваи, то влияние работы низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента изучено мало и учитывается, как правило, интегрально вне зависимости от влияющих на него факторов.
В вязи с этим в настоящей диссертационной работе была поставлена задача изучить закономерности влияния работы низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента от различных факторов, что, на наш взгляд, необходимо для успешной разработки алгоритма принятия оптимальных проектных решений свайных фундаментов и, кроме того, для разработки практических рекомендаций по этому вопросу.
Возможность экономии средств уже на стадии проектирования позволяет считать актуальным исследование, направленное на разработку метода оптимизации параметров свайного фундамента, учитывающего взаимовлияние его составных элементов «низкий ростверк – сваи - грунт» и достижения на этой основе оптимального сочетания экономичности и надежности проектных решений.
Из вышеизложенного формулируется следующая цель диссертационной работы.
Цель диссертационной работы:
- исследовать влияние включения в работу низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента, разработать практические рекомендации по учету этого влияния;
- с учетом полученных результатов разработать алгоритм поиска оптимального проектного решения свайного фундамента, учитывающего зависимость его несущей способности от взаимного влияния свай и включения в работу низкого ростверка.
Под свайными фундаментами с низкими ростверками в диссертационной работе подразумеваются группы свай, содержащие до 50 свай с осевым расстоянием между ними не превышающим 7d, где d – диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, объединенные монолитной железобетонной плитой свайного ростверка, подошва которого имеет надежный контакт с грунтом.
Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие задачи:
- проанализированы имеющиеся экспериментальные данные об особенностях взаимодействия свай и низкого ростверка в вертикально нагруженных свайных фундаментах, выполнена их оценка, определено направление дальнейших исследований;
- выполнены численные расчеты и путем сравнения полученных результатов с имеющимися результатами натурных испытаний свайных фундаментов показана возможность использования программного комплекса PLAXIS 3D Foundation и упругопластической модели грунта, построенной на основе теории прочности Кулона-Мора, для изучения и анализа взаимодействия свайных фундаментов с грунтовым основанием;
- проведено численное исследование работы свайных фундаментов с низким ростверком как единой системы «ростверк - группа свай - грунт» с целью изучения влияния включения в работу низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента в более широком, чем проводилось раньше, диапазоне изменения влияющих на нее факторов;
- методами математического планирования экспериментов определены характеристики системы «ростверк - группа свай - грунт», оказывающие существенное влияние на его работу в свайном фундаменте в зависимости от различных факторов, установлена степень этого влияния;
- на основании обобщения результатов численных исследований разработаны рекомендации по оценке степени влияния работы низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента в широком диапазоне изменения влияющих на нее факторов;
- разработана оптимизационная модель расчета параметров свайных фундаментов, сформулированы выражения для критерия оптимальности и системы ограничений применительно к оптимизации проектных решений свайных фундаментов;
- на основе методов теории оптимизации разработан алгоритм поиска оптимальных проектных решений свайных фундаментов с учетом взаимного влияния свай и работы низкого ростверка на их несущую способность.
Научная новизна исследований.
1. В результате проведенных численных экспериментов и расширенного факторного анализа установлены закономерности влияния работы низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента на вертикальную нагрузку в зависимости от его параметров и грунтовых условий.
2. На основании проведенного статистического анализа и обобщения полученных результатов численных исследований разработаны предложения по оценке несущей способности низкого свайного ростверка в зависимости от большего, чем это было возможно раньше, числа факторов.
3. Разработан алгоритм поиска оптимальных проектных решений свайных фундаментов при расчете их несущей способности на вертикальную нагрузку, учитывающий взаимное влияние свай в фундаменте и работу низкого ростверка.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные рекомендации по определению несущей способности низкого ростверка и алгоритм поиска оптимальных проектных решений при расчете несущей способности свайных фундаментов на вертикальную нагрузку повышают экономическую эффективность применения свай в строительстве.
Реализация работы.
Результаты выполненной работы могут быть использованы при расчете и проектировании свайных фундаментов, а также в научно-исследовательских работах, выполняемых в учебных, проектных и научно-исследовательских организациях.
На защиту выносятся:
1. Результаты численных исследований работы вертикально нагруженных свайных фундаментов как единой системы «ростверк - группа свай - грунт».
2. Установленные с помощью проведенного численного исследования закономерности влияния работы низкого ростверка на несущую способность вертикально нагруженного свайного фундамента.
3. Практические рекомендации по учету работы низкого ростверка при расчете несущей способности свайных фундаментов на вертикальную нагрузку.
4. Разработанная оптимизационная модель расчета параметров свайных фундаментов, сформулированные выражения для критерия оптимальности и системы ограничений.
5. Алгоритм определения оптимальных параметров свайных фундаментов с использованием методов теории оптимизации.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались: на XII-ой и XIII-ой Международных межвузовских конференциях «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 15-22 апреля 2009; 14-21 апреля 2010); на Международной конференции «Геотехнические проблемы мегаполисов» (Москва, 7-10 июня 2010).
Публикации по результатам исследований. Основные результаты диссертации отражены в 7-ми печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций и содержит 147 страниц, в том числе 54 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 190 наименований.
Экспериментальные исследовании но изучению влияния низкого ростверка на работу и несущую способность спайных фундаментов
Экспериментальные исследования работы свайных фундаментов проводились многими исследователями, как в нашей стране (П.ААббаеов. В,АЛ арвашов, А А. Бартоломей, Б.В.Бахолдин, В.Г.]іерезаіщся, В.Н.1 олубкон, АЛ.Готмап, Н.З.Гетман, АА. Григорян, Б.М .Далмат он, ІГМ.Дорошксішч, К.Г.Егоров, Ю.К.Зарецкий, В.В-Знаменский, С.В.Курилш, А.В.Нилягип, Н.А.Сорочан, С.Б,Ухов, А,Б.Фадеев, В. Г. Федоровский. В,И.Шейнин, Н.А.Цытович и многие другие), так и за рубежом (l.Birnbaum, Y,H.Chcn, T.D.Davis S.Geffen, IL-G.Kempfert, RKishida, II.L.Liu, G.Mcyerhof, R.B.Pcck, 1-I.G.Poulos, O.Reul, S.M,Saeyd, A.Schmrtt, A.W.Skempton, W.RVan Impe, A.S,Vesic, H.Wiiitaker и др.J- Полученные в результате проведенных исследований данные позволили оцепить влияние многих факторов на совместную работу свай в фундаментах, в том числе и включение в работу фундамента низкого ростверка,
Большой объем комплексных исследований по изучению работы свайных фундаментов был выполнен на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов Московского государственного строительного университета (МГСУ) под руководством проф., К.Т.Н, Н.М.Дорошкевич и проф., д.т.н. В.В. Знаменского. Исследования проводились в различных грунтовых условиях, включая искусственные грунты (эквивалентные смеси) па модельных и натурных свайных фундаментах в полевых и лабораторных условиях.
В. "jaw ках ітл х із га;л rj; ояши и . римспты на модельных и натурных свайных фундаментах, состоянхих из специальных те изометрических свай, позволяющих замерять нагрузку, передаваемую на грунт отдельно через острие и боковую поверхность каждой сваи, а также распределение нагрузки между сваями фундамента. Исследования показали, что характер передами нагрузки на грунт сваями группы и одиночными сваями различен. Это различие заключается в снижении сил трения по боковой по-верхвюсти сваи груплы по сравнению с одиночной сваей. Степень снижения сил трения зависит от осевого расстояния между сваями, местоположения сваи в плане группы (центральная, рядовая или угловая) и типа ростверка (низкий или высокий).
Наибольшее снижение сил трения по боковой поверхности, а, следовательно, и доля участия ее в несущей способности сваи группы было зафиксировано ори осевом расстоянии между сваями При этом расстоянии и низком ростверке доля участия боковой поверхности в несущей способности сваи группы уменьшилось на 40% у угловых свай и до 20% у центральных по сравнению с 80% у одиночной сваи. При осевом расстоянии между сваями 3...4d и высоком ростверке степень снижения сил трепня по боковым поверхностям свай в группах несколько уменьшается, однако это уменьшение несушественно. Это говорит о том, что при высоком ростверке ірупт межсвайного пространства при расстоянии между сваями 2..Ad под действием вертикальной нагрузки перемещается вниз, однако его осадка все же несколько меньше, чем при ничком ростверке. С увеличением расстояния между сваями степень снижения сил трения по боковым поверхностям свай в группах уменьшается и начинает в значительной мерс зависеть от положения ростверка. Так, как показали испытания, несущая способность боковой поверхности сваи іруппьі с низким ростверком при осевом расстоянии между сваями 6d оказалась в 3,6...157 раза меньше, чем сваи группы с высоким ростверком, чго объясняется большей степенью снижения сил трения за счет осадки грунта межсвайного пространства под подошвой низкого ростверка.
Следствием неодинакового снижения сил трения по боковым поверхностям свай в группах является неравномерное распределение нагрузки между ними. Гак, наибольшую нагрузку принимает па себя угловая свая группы, затем рядовая и наименьшую - центральная спая (рис. 1.1). Степень неравномерности распределения нагрузки между сваями группы зависит от осевого расстояния между сваями, их числа и типа ростверка. Наибольшая разница в несущих способностях угловых и центральных свай была зафиксирована в группах с высоким ростверком при осевом расстоянии между ними 3d. Низкий ростверк уменьшает неравномерность распределения нагрузки между сваями, хотя и вызывает большее снижение сил трения по боковым поверхностям за смет осадки грунта под его подошвой. Однако это снижение сил трения будет практически одинаковым для всех свай группы, что приводит к выравниванию неравномерности распределения нагрузки между ними.
Б.А.Сальниковым [102] были проведены исследования распределения нагрузки между сваями группы на модельных и натурных свайных фундаментах. В результате этих исследований было отмечено, что неравномерное распределения нагрузки между сваями группы является следствием различного снижения сил трения по боковым поверхностям свай за счет влияния их через грунт друг на друга. Эта неравномерность больше сказывается в группе с низким ростверком, включение в работу которого приводит к осадке грунта вмесге со сваями, что в свою очередь приводні к еще большему снижению сил трения по боковым поверхностям свай, обращенным внутрь группы.
Результаты испытаний натурных свайных фундаментов (рис. 1.2), где фактические нагрузки на сваи в группе замерялись динамометрическими шайбами, согласуются с результатами, полученными на модельных сваях, Экспериментальные исследования распределения нагрузки между сваями и исследования распределения сил трения по боковой поверхности свай при их работе в составе фундамента были проведены Л.А.Бартоломеем [11, 13]. Для определения нагрузок, приходящихся на спаи, применялись силовые кольца, а для определения характера передачи нагрузок по боковой поверхности и сопротивления острия - использовались тензометрические сваи. Результаты опытов показали, ню при первых ступенях нагрузок острие спаи несколько задерживает развитие сил трения, гак как незначительные напряжения в плоскости острия сваи не вызывает существенных деформаций грунта. При дальнейшем увеличении нагрузки осадка возрастает и силы ірения достигают максимальных, значений. Было установлено, что доля нагрузки, передающая череч боколую поверхность сваи, зависит от осевого расстояний между сваями в группе, их длины и грунтовых условий.
Испытания, проведенные другими исследователями (АJ-І.Бадесв [7], Б.В.Бахолдин [14, 16J, А.АХригорян [37, 38], Е.Э. Девал ьтоиский [42, 43], Н.М.Дорошкевич [48, 49], А.В.Пилягин [92], Д.Е .Развода в ский [94], З.Сирожиддинов [1031, А.Б.Фадеев [127: 128, 129], О.К.Югаи [141] и др.) также показали факт неравномерности распределения нагрузки между сваями группы, а полученные ими результаты хорошо согласуются между собой и отличаются друг от друга только количественной оценкой степени этой неравномерности, что объясняется различными условиями проведения опытов и возможностями замера нагрузки на каждую сваю группы,
Геологические условия экспериментальных площадок, краткое описание опытных фундаментов
В настоящее время благодаря успехам вычислительной техники инструментом решения различного рода задач и геомеханике являются численные методы расчета. Виртуальные исследования в сравнение с другими видами исследований (модельные, натурные и тли) имеют ряд преимуществ. Численные эксперименты существенно удешевляют и ускоряют процесс проектирования, позволяют проверить, как будет вести себя проект и руемый объект или система в ситуациях, которые трудно организовать в натурных условиях. Кроме того, численные исследования позволяют рассмотреть практически неограниченное количество предполагаемых вариантов конструкций фундаментов и сочетаний нагрузок,
Применение численных методов связано с задачами не имеющих решения в замкнутом виде (точного решения). При этом гочное решение задачи представляется в виде некоторого множества чисел, позволяющих получить интересующую информацию об исследуемом объекте. К наиболее распространенным численным методам можно отнести методы конечных разностей, граничных элементов, конечных элементен и Др.
Метод конечных разностей (MICP). Сущность метода заключается в следующем: задается объект, поведение которого описывается дифференциальным уравнением или системой дифференциальных уравнений при заданных граничных условиях; па рассматриваемом объекте фиксируется некоторая система узловых точек; решение дифференциальных уравнений получается, заменяя производные конечными разностями в узловых точках. Задача считается решенной, если для узловых точек определены значения" функций (напряжений, перемещений и т.д.) участвующих в решении. Данный метод имеет ограниченное применение в виду необходимости описания поведения объекта дифференциальными уравнениями, что является не всегда возможным. Так же сложным представляется учет различных не оді юродп остей, как грунта, так и сваи. Метод находит слабое практическое применение.
Метод граничных элементов (МГЭ). Относится к классу краевых задач, моделируемых дифференциальными уравнениями в частных производных. При использовании данного метода производится задание элементов по границе взаимодействия рассматриваемого объекта. Соответственно решение внуїрн области получают по аналитическим формулам, не прибегая к дискретизации области. Основное преимущество данною метода заключается в более точном учете передачи усилий при взаимодействии объекта. Недостатки МГЭ схожи с недостатками МКР, хотя некоторые варианты (метод фиктивных нагрузок, метод разрыва смещение метод граничных интегралов и др.) делают его более гибким. При решении МГЭ так же не учитывается внутренняя структура объекта, В настоящее время не происходит развитие метода в виду указанных недостатков.
Метод конечных элементов (МЮ). В этом методе континуальная система (система с бесконечным числом степеней свободы) заменяется системой с конечным числом степеней свободы, іо есть, производится дискретизация системы па отдельные элементы, соединенные между собой в узлах. Решением задачи является такое решение, при котором удовлетворяются условия совместности и равновесия. Метод конечных элементов является наиболее универсальным. При его использовании возможен учет взаимодействия объектов различной структуры и характеристик. Из недостатков метода можно отметите не точную картину передачи взаимодействия реальных объектов, представленных конечными элементами и осуществляемую через узлы. Влияние дашюю недостатка на точность результата расчета можно существенно сократить увеличением количества узлов дискретизированной системы.
В отличие задач строительной механики, где рассчитываемые элементы конструкций имеют конечные размеры, в механике грунтов объектом исследований является практически не ограниченный в размерах ірупювьж массив, взаимодействующий с сооружением. В то же время, как в методе конечных разностей, так и в методе конечных элементов в качестве расчетных рассматриваются области, имеющие размеры расчетного участка массива (расчетной области), но таким образом, чтобы влияние искусственно введенных іраниц не приводило к значительному искажению результатов решения. Данный метод находит все большее применение в различных областях проектирования строительных конструкций.
В данной работе выбор был сделан в пользу метода конечных елементи (МКЭ), являющегося универсальным и позволяющим рассчитывать с достаточной степенью точности практически любые конструкции, с учетом влиянии широкого спектра факторов. Особенностью современного применения метода конечных элементов является проведение виртуальных исследований, позволяющих наглядно выявить совместную работу системы «о снование -фундамент-сооружение» при различных сочетаниях нагрузок и показать в диттамике распределение деформаций и напряжений любой точки системы. Применение метода конечных элементов позволяет в сравнительно короткий срок оценить эффективное! ь применения тех или иных конструкционных материалов и конструктивных решений, с выявлением наиболее оптимального и экономичного варианта.
Основные положения теории планирования эксперимента
Как уже отмечалось R Главе 1 настоящей диссертации а настоящее время нет единого мнения о возможности и целесообразности учета влияния работы низкого ростверка при определении несущей способности кустов свай. Тем не менее, факт участия ростверка в работе свайного фундамента неоднократно подтвержден экспериментальными исследованиями, проведенными как в нашей стране, так и за рубежом. Этими экспериментами установлено, иго роль ростверка в несущей способности свайнътх фундаментов неоднозначна и зависит от многих факторов: размеров и жесткости плиты ростверка, длины и сечения свай, относительного осевого расстояния между ними, консистенции и плотности грунтов в плоскости нижних концов свай и под подошвой ростверка, величины осадки фундамента и лр. Зависимость несущей способности ростверка от эгих факторов в полной мере установить до настоящего времени не удалось, поскольку экспериментальные исследования работы такой сложной системы в широком диапазоне изменения всех указанных факторов даже при условии их проведения на моделях практически невозможны. В результате большинство экспериментов проводилось на маломасштабных моделях свай ігри крайне ограниченном варьировании параметров фундамента.
Дифференцировать ллияіше различных факторов на несущую способность ростверка, начиная с указанных выше параметров свайного фундамента и заканчивая параметрами грунтовых условий, включая неоднородность основания по глубине- можно за счет их варьирования в численном эксперименте.
Следует отметить, что опыт научных исследований как в нашей стране, так и за рубежом подтверждает возможность использования численных экспериментов яри изучении взаимодействия фундаментов, включая и свайные, с грунтами основания для получения качественных и количественных результатов, позволяющих установить необходимые для разработки новых и совершенствования существующих расчетных методов закономерное гей, Изложенное выше явилось причиной проведения .дальнейших более детальных численных исследований совместной работы свайных фундаментов и грунтового основания с целью изучения возможного влияния работы низкого ростверка на несущую способность свайного фундамента в достаточно широком диапазоне изменения влияющих па нее факторов.
В рамках этих исследований было выполнено следующее: проведены численные исследования .взаимодействия свайных фундаментов с низким ростверком для различных і рунтовых условий; показаны возможности применения расширенного факторного анализа для детальной оценки относительного влияния различных факторов на работу низкого ростверка в составе свайного фундамента; методами математической статистики проведена оценка степени влияния каждого из рассмотренных в численном эксперименте факторов на работу низкого ростверка в составе свайного фундамента; выявлены и с форму л про паны функциональные зависимости участия работы низкого ростверка в передаче нагрузки па грунт л достаточно широком диапазоне изменения влияющих на нее факторов; разработаны предложения по оценке несущей способности низкого свайного ростверка в составе спайного фундамента її зависимости от рассмотренных факторов, Программой численных исследований предусматривалось варьирование факторами, представленными в таблице 3.1. Численное моделирование выполнялось методом конечных элементов с использованием программного комплекса Plaxis 3D Foundation, В качестве па-раметров грунтовых условий были использованы инженер но-геологические условия и физико-механические свойства грунтов опытных площадок строительства Братского Алюминиевого завода [22, 58]. Вариант грунтовых условий Ml - однослойное основание. В пределах разведанных глубин (до 15,0 м) ірунтьі опытной площадки представлены достаточно однородными по глубине суглинками от тугопластичной до полутвердой консистенции (рис. 3.1). Удельный вес суглинка изменяется в пределах от 16 до 20 кН/м\ коэффициент пористости от 0,52 до 0,97, влажность от 14,1% до 16,6%, степень влажности от 0,39 до 0,77, модуль деформации от 20 до 25 МПа. Подробные значения ф и зи ко-механических хараюеристик ірунтов опытной площадки приведены и таблице 2.1. Вариант грунтовых условий №2 - двухслойное основание. Сверху насыпные грунты мощностью слоя от 2,0 до 9,0 м, ниже —грунты варианта №1 (рис. 3.2). Насыпные грунты состоят из местных суглинков, супесей и песка, с органическими включениями. Физико-механические показатели насыпных грунтов: удельный вес в пределах 14... L6 кН/м3, коэффициент пористости 0,60...0,80, влажность 9,1... 15,9 %t модуль деформации 5,3 .5,5 МПа. Вариант грунтовых условий №3 - трехслойное основание. В толще суглинков по варианту грунтовых условий №1 расположен песчаный грунт мощностью слоя от 1,0 до 7ft м (рис. 3,3, 3.4). Пески мелкие, удельный вес песка изменяется в пределах от 15,6 до 16,8 к11/м . коэффициент пористости от 0,60 до 0,70, влажность от 4,4% до 9,9% модуль деформации от 5,5 до 15,7 МПа.
Согласно программе численных исследований (см. таблицу 3.1) в представленных грунтовых условиях было смоделировано и рассчитано более 300 вариантов различных фу и дам с і по її. Дли каждого варианта фундамента определялись его габаритные размеры (в зависимости от диаметра свай d; относительной длины свай L/d и их расположения в плане, характеризуемое относительным осевым расстоянием между спаями a/d), жесткость плиты низкого ростверка и геометрические размерьт расчетной области. Процесс устройства свайного фундамента моделировался поэтапно.
Пример определения оптимальных параметров свайного фундамента по предложенному алгоритму
Ростверк при I t JQ считается ростверком конечной жесткости» а при t l — абсолютно жестким. При численном моделировании рассмотрен ростверк конечной жесткости, имеющий показатель гибкости 1=5, а абсолютно жесткий ростверк =0,5.
Несущая способность плиты ростверка и его влияние на работу свай определяющим образом зависит от надежности и состояния контакта между ним и поверхностью грунта. Эксперименты, проведенные в разное время А, А .Бартоломеем [12, 13], В. В. Знаменским [58, 60], В. Д .Яблочковым [142, 143] и др. показали, что при неудовлетворительном состоянии згою контакта ростверк может практически вообще не включиться в работу. В данной работе контакт ростверка с грунтом при моделировании был принят как обеспеченный.
При моделировании забивных сваи на контакте сваи с грунтом моделировался интерфейс, равный единице (Rimer31). При моделировании буронабивных свай силы трения и сцепления по боковой поверхности свай были снижены на 1/3 or полного прилипания ірупта к стволу сван (Rinter-0,67), Факт снижения сопротивления грунта по боковой поверхности буронабивных свай главным образом связан с технологией их усіройства и подтвержден многочисленными натурными испытаниями.
Процесс устройства свайного фундамента моделировался поэтапно. На первом этапе моделировалось природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива, на втором этапе моделировалось устройство свай и на третьем этапе - низкий ростверк. Внешняя сила q прикладывалась ступенями на плиту ростверка в виде равномерно - распределенной нагрузки. Как и в случае с моделированием одиночной сваи, результаты каждого выполненного этапа моделирования являлись начальними условиями для последующего этапа моделирования
Статистическая обработка результатов исследований совместной работы свайных фундаментов и грунтового основания численным методом (МКЭ), дозволившим изучить влияние работы низкого роствсрЕса на несущую способность свайного фундамента в указанном диапазоне изменения влияющих на нее факгоров выполнялась методом математического планирования экспериментов, основы которого изложены ниже. Подробно эта теория изложена в работах Ю.П.Адлера и Ю. Б .Грановского [2], В,И.Асатуряпа [6], Н,Джонсон и Ф.Лион [451 Е.В.Марковой (80], Д.К,Монтгомери [84], Л.З.Румшинского [99] и др,
Как указывалось выше, основной целью численных исследований являлось следующее; методами математического планирования экспериментов выявить, какие характеристики сиаемы «ростверк - ірупна свай - грунт» оказывают существенное влияние на работу низкого ростверка в свайном фундаменте в зависимости от различных факторов при воздействии вертикальных нагрузок, Для достижения этой цели необходимо провести широкомасштабный эксперимент, в котором каждый фактор варьировался бы но отдельности при постоянном значении других. Такой подход к решению многофакторных задач имеет свои достоинства, главным из которых является наглядность получаемых результатов, по одновременно не лишен и недостатков, к которым в первую очередь, следует отнести большое число экспериментов и трудность обобщения результаюв, представляющих собой набор одпофакторных зависимостей при постоянных значениях остальных факторов.
Преодолеть эти трудности можно, воспользовавшись теорией планирования эксперимента. Составление программы исследований на ее основе значительно сокращает требуемое количество экспериментов за счет одновременного варьирования всеми факторами, а последующая обработка результатов пезволяет оценить вес каждого фактора, отбросить несущественные и получить в итоге интерполяционные зависимости, количественно опись: ваго щи е поведение исследуемого объекта в принятой области варьирования факторами,
В терминах теории планировании эксперимента поставленная задача заключается в получении функции отклика связывающей выход «у» с входными факторами. Фактором называется изменяемая величина, принимающая в некоторый момент времени определенное значение. Совокупность всех значений, которые может принимать данный факгор, образует область определения фактора, а совокупность областей определения всех факторов — область эксперимента.
Выбор области эксперимента является одним из наиболее ответственных моментов в планировании мпотфухторной задачи, поскольку достоверность получаемых в итоге результатов во многом зависит от того, насколько корректно сделан этот выбор.
Верхняя и нижняя границы области определения фактора называются соответственно верхним и нижним уровнями данного фактора. Центру области определения соответствует основной уровень. Полу-разность верхнего и нижнего уровней называется интервалом варьирования данного фактора. Удобно выбрать масштабы по осям в факторной пространстве таким образом, чтобы верхнему «натуральному» уровню фактора соответствовало кодированное значение «+1», нижнему - « 1»? а основному - «О» (по этой причине основной уровень называют нулевым). Для факторов с непрерывной областью определения это можно сделать с помощью преобразования.
