Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса о расчете свайных фундаментов с учетом вязкоупругопластических свойств грунтов основания 17
1.1. Основные решения об упругоиластнческом и вязкоупругопластическом распределении напряжений и несущей способности основания 17
1.2. Методы расчета длительных осадок свайных фундаментов 38
1.3. Постановка проблемы расчета осадок свайных фундаментов с учетом реологических свойств грунтов 44
1.4. Выводы по 1-ой главе 46
ГЛАВА 2. Решение задач динамического погружения забивных свай в грунтовые массивы 48
2.1. Основные теоретические положения 48
2.1.1. Общая постановка задачи 48
2.1.2. Экспериментально-теоретические основы модели динамического поведения грунта 53
2.2. Расчетная схема задачи о динамической забивке свай 64
2.3. О численной реализации задачи динамического погружения сваи 72
2.4. Результаты расчетов 78
2.5. Выводы по 2-ой главе 95
ГЛАВА 3. Решение задач квазистатики для системы "свая-грунт" с учетом реологических свойств грунтов основания 98
3.L Алгоритм численного моделирования квазистатики взаимодействия системы "свая-грунт" 99
3.1.1. Общая постановка задачи 99
3.1.2. Физические соотношения для материалов системы "свая-грунт" 102
3.1.3. Метод конечных элементов для решения задач квазистатики с учетом реологических свойств грунтов 121
3.1.4. Программный комплекс "ELAST PL AST' 123
3.2. Результаты расчетов для одиночных свай 126
3.2.1. Расчет зависимостей "время-осадка" 126
3.2.2. Построение расчетных заиисимостсП "нагрузка-осадка" для одиночных свай 133
3.3. Результаты расчетов для ленточных свайных фундаментов 136
3.4. Результаты расчетов для свайных кустов 170
3.4.1. Расчет зависимостей "время-осадка" 170
3.4.2. Построение расчетных зависимостей "нагрузка-осадка" для кустов свай 177
3.5. Выводы по 3-й главе 189
ГЛАВА 4. Инженерный метод расчета свайных фундаментов
4.1. Расчет несущей способности свайных фундаментов 192
4.2. Практический метод расчета длительных осадок свай и свайных фундаментов 203
4.3. Результаты расчетов свайных фундаментов 211
4.3.1. Расчет несущей способности
двухрядного ленточного свайного фундамента 211
4.3.2. Расчет несущей способности
свайного куста из четырех свай 212
4.3.3. Пример расчета осадки одиночной сваи 214
4.3.4. Пример расчета осадки свайного фундамента 215
4.4. Выводы по 4-й главе 227
ГЛАВА 5. Примеры проектирования и результаты наблюдений за осадками зданий и сооружений 229
5.1. Экспериментальные исследования на опытных площадках 229
5.2. Результаты наблюдений за осадками жилых зданий 233
5.3. Результаты наблюдений за осадками промышленных сооружений 257
5.4. Выводы по 5-й главе 284
6. Основные выводы 285
7. Список литературы
- Методы расчета длительных осадок свайных фундаментов
- Экспериментально-теоретические основы модели динамического поведения грунта
- Метод конечных элементов для решения задач квазистатики с учетом реологических свойств грунтов
- Практический метод расчета длительных осадок свай и свайных фундаментов
Введение к работе
Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении неразрывно связано с разработкой новых расчетных методов, которые позволяют более достоверно описывать взаимодействие фундаментных конструкций и грунтов основания при передаче нагрузок от зданий, сооружений и технологического оборудования. По данным НИИОСП им. Н.М. Гер сева нова годовой объем затрат на устройство фундаментов в настоящее время составляет 4 млрд. рублей (в ценах 1984 г), в том числе свайные фундаменты составляют 28-30%. Широкое внедрение свайных фундаментов обусловлено их надежной работой в различных инженерно-геологических и климатических условиях, повышением этажности и высотности зданий, увеличением масс технологического оборудования, использованием неблагоприятных строительных площадок.
Проблема оптимального проектирования и возведения свайных фундаментов приобрела особую актуальность в связи с переориентацией строительного комплекса на рыночные отношения, когда повышается объективная заинтересованность всех подразделений отрасли в снижении затрат за счет уменьшения себестоимости выполняемых работ. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых свайные фундаменты являются зкономически выгодными по сравнению с фундаментами на естественном основании и нередко единственным возможным типом фундаментов. Деля затрат на возведение подземной части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет 30%.
Выполненные в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Московском инженерно-строительном университете, Санкт-Петербургском инженерно-строительном университете, Санкт-Петербургском государственном техническом университете, Пермском государственном техническом университете, МарГТУ, СарГТУ и других организациях экспериментально-теоретические исследования позволили существенно расширить знания о взаимодействии свайных конструкций с грунтом основания, усовершенствовать нормативные материалы по расчету и проектировании в различных инженерно-геологических условиях. На основании полученных результатов нормативные расчетные значения сопротивления грунта под нижним концом свай обоснованно увеличены на 10-30%, а нормативная несущая способность свай - на 30-50%.
В то же время в нормативных рекомендациях в качестве основной задачи продолжает рассматриваться максимально нагруженная одиночная свая, предельное сопротивление которой определяется опытным или расчетным путем, а переход к несущей способности фундамента производится простым суммированием несущей способности свай в составе фундамента. Этот подход не всегда соответствует повышению надежности и экономичности проектных решений свайных фундаментов.
На заседании технического комитета по свайным фундаментам Международного сообщества по механике грунтов и геотехнике (Германия, Гамбург, 1997 г.) было отмечено, что приоритетным направлением снижения стоимости и материалоемкости свайных фундаментов является совершенствование методов расчета с учетом действительных условий работы свай в фунтах.
Принятый в нормах метод расчета осадок свайных фундаментов основан на решении задач теории упругости, ограниченной рамками гипотезы об обратимости процесса деформирования и не позволяет с необходимой достоверностью рассчитывать несущую способность и осадки свайных фундаментов.
Исследования, проведенные в последнее время в Гидропроекте, НИИОСП им. JI.M. Герсеванова, Map ЛГУ, Пермском ГТУ позволили разработать упругопластические модели систем "свая-грунт" и "свайный фундамент-грунт", учесть взаимовлияние свай в составе фундаментов, физическую и геометрическую нелинейность деформирования грунтов.
Использование современных ЭВМ позволило создавать пакеты программ для НОРОЙ методологии исследования взаимодействия систем "фундамент-основание" на всех фазах нагружения, осуществлять численную реализацию разработанных моделей, разработать методологию многовариантного проектирования и технико-экономической сравнимости полученных решений. В то же время необходимо отметить, что используемые в настоящее время модели механического поведения грунта требуют определения параметров, получаемых из трудоемких опытов на приборах объемного сжатия, серийное производство и оборудование которых пока не осуществлено.
Результаты высокоточных геодезических наблюдений за осадками зданий и сооружений, анализ развития механики грунтов, тенденций отечественного и зарубежного фундаментостроения показывают, что перспективным направлением исследований взаимодействия фундаментов и оснований является учет реологических свойств грунтов, то есть вязкого деформирования под действием постоянных и переменных нагрузок. Сохранность зданий и сооружений на грунтах с реологическими свойствами в большей степени зависит от скорости накопления осадок смежных фундаментов, чем от величины абсолютной осадки сооружения, так как при значительной скорости осадки пластическое течение элементов несущих конструкций под действием дополнительно возникающих в них нерасчетных усилий может перейти в хрупкое разрушение.
Осадка фундаментов во времени достоверно может быть рассчитана при учете длительных сложных физических процессов, которые возникают при передаче нагрузок на грунты с реологическими свойствами. Для описания напряженно-деформированного состояния вязкоупругой или вязкоупругопластнческой среды необходимо использовать значительное число параметров, значения которых могут изменяться в эксплуатационный период. Численная реализация этих моделей может быть осуществлена методом конечных элементов (МКЭ), методом конечных разностей (МКР) или методом граничных интегральных уравнений - граничных элементов (МГИУ, МГЭ).
В работах Н.Л. Цытовича [231-234] отмечена перспективность анализа длительного взаимодействия системы "фундамент-основание" с позиций наследственной теории ползучести грунтов. В работах С. С. Вялова [64-67] приведены основные интегральные соотношения и виды ядер ползучести. Использование уравнений теорий наследственной ползучести для экстраполяции длительных осадок фундаментов затруднено из-за неясности определения параметров ядра ползучести. Сложность анализа кваз и статического поведения этой системы обусловлена: неоднородностью ярко выраженных реологических свойств грунта и нелинейным характером взаимодействия сваи с грунтом на границе их раздела. Учету именно этих двух факторов должно быть уделено основное внимание при построении математической модели.
Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в разработке методов расчета осадок свайных фундаментов на основе современных представлений о вязкоупругопластическом деформировании грунтов при динамическом и статическом нагружении.
Для достижения поставленной цели предлагается разработать математический аппарат для численного моделирования поведения системы «свая-груит» с учетом реологических свойств грунтов и напряженно-деформированного состояния грунтов основания, возникающего при забивке свай. Постановка данной краевой задачи должна учитывать основные особенности механического поведения системы «свая-грунт», а именно: упруговязкопластические свойства грунта и условия возможного проскальзывания сваи относительно фунта.
Реализация поставленной цели включает в себя комплекс исследований по следующим направлениям:
1. Обоснование необходимости совершенствования существующих методов расчета осадок свайных фундаментов на основе анализа и обсуждения материалов литературных источников.
2. Проведение комплексных экспериментальных исследований осадок свай и свайных фундаментов с учетом вязкого деформирования грунтов основания.
3. Разработка упругопластической модели динамического погружения забивных свай в грунтовые массивы с учетом их нелинейной объемной сжимаемости и зависимости параметров математической модели от скорости деформирования грунта, а также, с учетом изменения гидростатического давления в зависимости от глубины погружения свай.
4. Разработка программного комплекса для расчета забивных свай на основе упругопластической модели динамического погружения одиночных спай при многократном ударе.
5. Разработка вязко упругопластической модели квазистатического взаимодействия системы "свая-грунт" с учетом реологических свойств грунтов основания,
6. На основе предложенной модели взаимодействия системы "свая-грунт" разработка методов расчета, длительных осадок различных конструкций свайных фундаментов и кустов свай в грунтах, обладающих реологическими свойствами.
7. Разработка инженерного метода расчета несущей способности и осадок свайных фундаментов. 8. Внедрение результатов исследований в практику строительства и наблюдение за действительными осадками свайных фундаментов зданий и сооружений.
Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости, пластичности и теории наследственной вязкоупругости и подтверждены результатами многолетних наблюдений за работой свайных фундаментов в Западно-Уральском регионе. В работе использовались современные теоретические методы исследования; аналитический аппарат теории упругости и пластичности, теории наследственной вязкоупругости, математические методы моделирования, современные численные методы.
Достоверность результатов натурных исследований подтверждается большим количеством экспериментов, а также практикой проектирования и строительства сооружений, возводимых на свайных фундаментах. Результаты теоретических исследований подтверждаются данными натурных исследований. Наблюдения за осадками показывают, что расхождение экспериментально наблюдаемых величин от теоретически предсказанных отличаются не более чем на 20%. Многолетние наблюдения за состоянием фундаментов показали, что отклонений фундаментов от проектного положения нет (1950 - 2000 гг.).
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые, комплексно решены следующие вопросы:
1. Проведены исследования длительных осадок свай и свайных фундаментов в грунтах со сложными реологическими свойствами.
2. Разработана упругопластическая модель динамического погружения забивных свай с учетом нелинейной объемной сжимаемости, зависимости параметров грунта от скорости деформирования, изменения гидростатического давления с ростом глубины погружения свай.
3. На основе теории наследственной вязко упругости и теории малых упругопластических деформаций разработана модель кваз и статического поведения системы "свая-грунт" с учетом напряженно-деформированного состояния фунтов возникающего после забивки свай. Предложена методика определения реологических параметров, которые позволяют в значительном диапазоне нагрузок и времени достоверно описывать длительное взаимодействие системы "свая-грунт".
4. На основе разработанной вязко упругопластической модели предложены методы расчета длительных осадок забивных призматических и пирамидальных одиночных свай, ленточных свайных фундаментов, кустов свай в грунтах со сложными реологическими свойствами.
5. Разработаны инженерные методы расчета несущей способности и длительных осадок свайных фундаментов, которые позволяют их применять при проектировании жилых зданий и промышленных сооружений.
Практическое значение работы. Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета в период 1980-2000 гг.
Разработана методика энергетической оптимизации забивки свай, предложены методы расчета упругого и остаточного "отказа", разработаны методы прогноза полных и длительных осадок призматических и пирамидальных свай и свайных фундаментов в грунтах со сложными реологическими свойствами.
Использование научных разработок в практике строительства позволило существенно снизить топливно-энергетические затраты и экономить сырьевые ресурсы при устройстве свайных фундаментов при безусловной их надежности в период строительства и эксплуатации.
Использование полученных данных в практике строительства показало, что нагрузки на свайные фундаменты могут быть во многих случаях увеличены на 15-20%, а при контакте ростверка с грунтом в некоторых случаях на 30% и более.
Реальный экономический эффект от внедрения научных разработок в практику строительства составил в период 1983-2000 гг. свыше 2,3 млн. руб. (цены 1984 года).
Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены и обсуждены на XX — XXIX научно-технических конференциях ПГТУ (Пермь, 1986-1998 гг.); на Всесоюзном совещании-семинаре "Современные проблемы свайного фундаментостроения" (Пермь, 1988 г, Одесса, І990 г.); на II, V, VI Международных конференциях по проблемам свайного фундаментостроения (Одесса, 1990 г., Тюмень, 1996 г., Уфа, 1998 г.); на I и II Всесоюзных координационных совещаниях-семинарах по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1986,1988 г.); на 4-м и 6-м Симпозиумах по реологии грунтов (Самарканд 1982 г., Рига 1989 г.); на Всесоюзной конференции "Современные проблемы нелинейной механики грунтов" (Челябинск, 1985 г.); на Балтийской международной конференции по механике грунтов и фундаментостроеншо (Таллинн, 1988 г.); на Международной конференции по реологии и механике грунтов (Англия, Ковентри, 1988 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Системы автоматизированного проектирования фундаментов и оснований" (Челябинск, 1988 г.); на VII Всесоюзной конференции "Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений" (Днепропетровск, 1989); на Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроеншо (Бразилия, Рио-де-Жанейро, 1989 г), на Международном семинаре "ERTC 3" (Бельгия, Брюссель, 1997); на Международных научно-технических семинарах и конференциях по фундаментостроеншо (Уфа, Одесса, Волгоград, 2001 г.), на VII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.). Сделанные в ходе обсуждения замечания и пожелания учтены автором при подготовке настоящей работы.
На защиту выносятся:
1. Комплексные экспериментальные исследования полных и длительных осадок свай и свайных фундаментов с учетом длительного деформирования фунтов основания.
2. Упругопластическая модель динамического взаимодействия забивных свай и грунтового массива при многократном ударе.
3. Численная методика и программный комплекс "PILE GROUND" для расчета забивных свай на основе предложенной модели динамического погружения свай.
4. Вязко упругопластическая модель к ваз и статического взаимодействия системы "свая-грунт" с учетом реологических параметров грунтов и изменения НДС основания в результате динамического воздействия при погружении свай.
5. Численная методика и программный комплекс "ELAST PLAST" для расчета полных и длительных осадок призматических и пирамидальных свай, ленточных свайных фундаментов и кустов свай в грунтах со сложными реологическими свойствами.
6. Инженерный метод расчета осадок свайных фундаментов.
7. Результаты внедрения исследований в практику строительства и наблюдения за действительными осадками свайных фундаментов зданий и сооружений.
Личный вклад автора в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах исследований при непосредственном участии автора в период І979-2000 гг. и выполнялась в соответствии с комплексной программой "Архитектура и строительство" (з.-н. № 114) - "Расчет несущей способности и осадок свайных фундаментов по предельно допустимым деформациям с учетом реологических параметров основания в сложных инженерно-геологических условиях" и по единому заказ-наряду вуза (з.-н. № 22), финансируемому из республиканского бюджета "Разработка основ теоретической модели напряженно-деформированного состояния свайных фундаментов на склонах, техногенных основаниях в сложных инженерно-геологических условиях Урала".
Формулирование проблемы, постановка цели и задач исследований, научно-теоретические разработки, анализ полученных результатов, выводы, практические рекомендации по внедрению осуществлены автором.
Практические экспериментальные исследования проводились с участием сотрудников кафедры "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета.
За исследования и разработку новых методов расчета и внедрение их в практику проектирования и строительства объектов Западно-Уральского экономического региона автор и члены авторского коллектива удостоены премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1986 г).
Автор выражает глубокую благодарность за научные консультации член-корреспонденту Российской Академии наук, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору А.А.Бартоломею, доктору физико-математических наук, профессору И.Н.Шардакову, а также сотрудникам Пермского государственного технического университета и института механики сплошных сред Уральского отделения РАН, оказавших помощь в проведении исследований.
В работе использованы результаты решения задач полученные автором совместно с член-корреспондентом РАМ, доктором технических наук, профессором А. А. Бартоломеем, кандидатом технических наук, доцентом Т.Б. Пермяковой, кандидатом физико-математических наук, доцентом К. С. Пустовойтом, доктором физико-математических наук, профессором И. Н. Шардаковым, кандидатом технических наук А. В. Фонаревым. Публикации. Результаты экспериментальных и теоретических исследований экспонировалась на ВДИХ СССР, опубликованы в двух монографиях и 74 печатных работах, а также, защищены 2 авторскими свидетельствами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 325 наименований и двух приложений. Объем работы 309 страниц, включая 19 таблиц и 127 иллюстраций.
В первой главе проведен анализ современного состояния расчета полных и длительных осадок свайных фундаментов с учетом современного состояния механики грунтов, сформулирована проблема расчета осадок свайных фундаментов с учетом реологических свойств грунтов, поставлены задачи исследований и обозначены пути их решения.
Во второй главе приведены результаты экспериментально-теоретические исследования динамического взаимодействия системы "молот-свая-грунт", разработана модель поведения грунта в условиях импульсного деформирования, которая учитывает изменение динамической сжимаемости и объемного модуля с ростом скорости деформации и изменение сдвигового модуля с ростом давления.
Третья глава посвящена разработке модели квазистатического взаимодействия системы "свая-грунт", "свайный фундамент-гру і IT" С учетом закономерностей вязкого деформирования грунтов, обладающих реологическими свойствами, и с учетом динамического последействия после забивки свай. Разработанный в третьей главе метод позволяет провести анализ напряженно-деформированного состояния системы на любой период времени, выполнить расчет полных и длительных осадок свайного фундамента, оценить скорость развития осадок в зависимости от типа грунта, характера приложения нагрузки и геометрических параметров фундамента. В четвертой главе изложены практические методы расчета осадок и несущей способности свайных фундаментов. В пятой главе приведены примеры проектирования для ряда объектов гражданского и промышленного строительства и результаты геодезических наблюдений за осадками свайных фундаментов. Показано, что расчетные и экспериментальные значения совпадают в пределах инженерной точности для задач механики фунтов. Внедрение результатов исследований в практику строительства позволило получить значительный экономический эффект при полной гарантии надежности разработанных методов расчета.
Методы расчета длительных осадок свайных фундаментов
В практике проектирования часто возникает необходимость рассчитывать осадки фундаментов во времени, так как разность осадок во времени может быть больше предельно допустимой разности осадок. Кроме того, большое значение имеет скорость протекания осадок во времени. При медленном возрастании осадок фундаментов (даже значительных по величине) надземные конструкции зданий способны деформироваться пластически без нарушения сплошности элементов конструкции. Если скорость осадок велика, то может произойти хрупкое разрушение отдельных элементов, что приведет к недопустимым деформациям всего здания. Поэтому расчет осадок во времени является одним из составных вопросов проектирования фундаментов по предельным состояниям.
Обширные экспериментальные и теоретические исследования по выявлению законономерпостсн деформации грунтов (Пузыревскй Н.П., (1934 г.); Терцаги К., (1932 г.), (1958 г.); Цытовнч Н.Л., (1934-1974 гг.); Покровский Н.П., (1933 г.), (1937 г.); Buisman Л.К. ,(1936 г.); Герссванов Н.М., (1937 г.); Taylor D.W., (1940 г.); Анисимов Н.И., (1947 г.); Герсеванов Н.М. и Польшин Д.Е., (1948 г.); Гутемберг Б., (1949 г.); Флорин В.А., (1948-1961 гг.); Денисов Н.Я., (1951 г.); Роза С.А., Котов А.И., (1951 г.); Гольдштейн М.Н., (1952 г.), (1960 г.), (1971 г.), (1973 г.); Арутюнян Н.Х., (1952 г.); Ничипорович А.А., (1955 г.); Маслов Н.Н., (1955 г.), (1961 г.); Blot N.A., (1956 г.); Строганов А.С., (1956 г.); Черкасов И.И., (1958 г.); Вялов С.С., (1959 г.); Ломидзе Г.М., (1959 г.); Павилонский В.М., (1959 г.); Тан-Квонг-Ки, (1959 г.); Месчян СР., (1958-1967 г.); Спидии В.П., (I960 г.); Веригин Н.Н., (1961 г.); Spence R.A., (1962 г.); Ержаиов Ж.Е., (1964 г.); Ксепофонтов А.И., (1965 г.); Малышев М.В., (1964 г.), (1967 г.); Зарсикий ГО.ІС, (1967 г.), (1970 г.); Тср-Мартиросян З.Г., (1967 г.); Винокуров Е.Ф., (196S г.); Дал матов Б.И., (1966 г.), (1971 г.) и др. позволили разработать методы расчета фундаментов на естественном основании во времени.
В зависимости от свойств грунтов и их состояния для расчета осадок фундаментов во времени принимают различные теории: теорию ползучести и теорию фильтрационной консолидации с учетом сжимаемости норовой жидкости, структурной прочности грунта сжатию, начального градиента напора, параметров ползучести. Влияние всех этих показателей на процесс консолидации и применимость различных теорий для разных грунтов подробно рассмотрены членом-корреспондентом АН СССР профессором А.А.Цытовичем и его учениками (Цытович Н.А., Зарсцкий Ю.К., Малышев М.В., Абелев МЛО., Тср-Мартиросян З.Г., (1967 г.); Цытович Н.А., (1968 г.).
В последние годы наибольшее развитие получили методы расчета осадок во времени для фундаментов на естественном основании. При этом основной упор делается на учете ползучести грунта. Ползучесть грунта необходимо учитывать и при расчете осадок свайных фундаментов, так как при опираний свай на глинистые грунты тугопластичной, полутвердой консистенции, гравийные грунты с глинистым и песчаным заполнителем, аргиллит, алевролит, алеврит осадка свайных фундаментов происходит, в основном, за счет ползучести скелета грунта.
При передаче больших и комплексных нагрузок от сооружений на грунты основания самым широким образом используются свайные фундаменты, применение которых обусловлено требованиями индустриального строительства в сложных инженерно-геологических и климатических условиях, требованиями безусловной надежности в период строительства и эксплуатации.
Наибольший вклад в изучение работы свайных фундаментов с окружающим грунтом внесли работы следующих отечественных и зарубежных ученых: П.А. Аббасова, МЛО. Абелева, В.Е. Абрамова, А.А. Бартоломея, Б.В. Бахолдина, В.Г. Березанцева, Н,В. Бойко, И.П. Бойко, Н. Brandl, J.B. Burland, Н.М. Герсеванова, В.Н. Голубкова, М.Н. Гольдштейна, Б,В. Гончарова, А.Л. Готмана, А.А. Григорян, Б.И. Далматова, В.К. Дмоховского, Н.М. Дорошкевич, П.А. Коновалова, P. Klabcna, Ф.К. Лапшина, В.В. Лушникова, А.А. Луга,. J. Moscowitz, А.А. Ободовского, А.В. Пилягина, Ю.В. Россихина, М. Randolf, B.C. Сажина, Г.М. Смиренского, М.И. Смородинова, В.И. Соломина, С.Н. Сотникова, ІО.Г. Трофименкова, В.М. Улникого, СБ. Ухова, А.Б. Фадеева, В.М. В.И. Федорова , В.Г. Федоровского, Фсклина, К. Fleming, P. Frank, Н.А. Цытовича, В.М. Чикишева, В.Б. Швеца, В.Д. Яблочкова и других.
Широкое применение в строительной практике свайных фундаментов привело к тому, что специалисты ведущих научных школ по фундаментостроению (БашНиипромстрой, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Волгоградская ГАСА, Воронежская ГАСА, ДальНИИС, МГСУ им. В.В. Куйбышева, Марийский ГТУ, НИИСК, Новосибирская ГАСА, Пензенский ГАСИ, Пермский ГТУ, Полтавский ТУ, СПб ГАСУ, Саратовский ГГУ, Томская РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ - БИБЛИОТЕКА ГЛСЛ, Челябинский ГТУ, Уфимский нефтяной институт) занимаются разработками новых методов расчета свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях на основе современных представлений 6 закономерностях деформирования грунтов.
При работе свай в водсьнасыщенных глинистых грунтах - текучепластичпой и мягкопластичиой консистенции, содержащих в своих норах свободную воду и обладающих малыми структурными связями, осадка происходит, в основном за счет отжатня воды из пор. Деформации, вызванные ползучестью скелета грунта, в данном случае незначительны, и осадки во времени можно получить, решая задачи теории фильтрационной консолидации. Однако методы расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом ползучести грунта и по теории фильтрационной консолидации с учетом приложения нагрузки внутри массива почти не разрабатывались. В настоящее время разработано лишь несколько эмпирических приближенных методов расчета осадок свай во времени, основанных па использовании результатов экспериментов. М. Мете предложил для описания осадок свай во времени логарифмическую зависимость
Экспериментально-теоретические основы модели динамического поведения грунта
Представим результаты обработки данных сдвиговых и компрессионных испытаний (согласно ГОСТ и при неполной консолидации) грунтов. Эксперимент проводился на кафедре инженерной геологии ПГУ при статической и кратковременной (1-2 секунды) нагрузке. Испытывагшсь 7 образцов глин, 13 образцов суглинков, 5 образцов песка и 4 образца супеси, взятых на различной глубине от 3-х до 20-и метров. Естественная влажность глин колебалась в диапазоне 0,21-0,31; суглинков 0,14-0,36; песка 0,05-0,13; супеси 0,19-0,27. Числа пластичности и показатели текучести располагались, соответственно, в диапазонах для глин 0,19-0,36 и 0,32-0,8 ; суглинков 0,08-0,15 и 0,17-1,15; супеси 0,03-0,07 и 0,19-0,23.
Результаты стандартных сдвиговых испытаний показали следующее. При переходе от супеси и песка к суглинкам и глинам возрастает разброс экспериментальных данных. Аналогичным образом происходит и увеличение сцепления от 5 - 30 кПа до 20 - 120 кПа. Угол внутреннего трения tg(f наоборот значительно падает от 0.48 - 0.74 до 0.05 - 0.47, что, по-видимому, связано с наличием влажности.
Результаты компрессионных испытаний при полной консолидации показали следующее. Тип грунта слабо коррелирует со сжимаемостью. Наименее сжимаемыми показали себя пески, наиболее сжимаемыми одна из супесей и суглинок. Анализ физических свойств грунта показал, что наиболее сжимаемые образцы грунта обладали минимальным объемным весом скелета грунта 1.5 и 1.86 г/см3 из данной серии экспериментов при достаточно высокой естественной влажности 0.133 и 0.324. Тогда как наименее сжимаемые пески, имея практически тот же объемный вес скелета 1.8-1.9 г/см3 обладают значительно меньшей влажностью 0.05 -0.1. Таким образом, статическая сжимаемость в значительной степени зависит от наличия влаги и возможности ее фильтрации с течением времени под нагрузкой. Эти опыты дают слабое представление о сжимаемости грунтов при малых временах нагружения, характерных временам при забивке свай, когда наличие влаги и отсутствие возможности се фильтрации в течение малого времени приведет к существенному увеличению сопротивления материала - понижению сжимаемости.
Для выяснения характера сжимаемости грунтов во временных диапазонах, приближающихся к реальным временам нагрузки при забивке свай были проведены кратковременные компрессионные испытания с временем действия нагрузки около I - 2 секунд. Данные этих и предыдущих испытаний позволили определить статические К и кратковременные К значения начального объемного модуля сжатия и предельной деформации счр и єр из предложенной модели (2.14). Эти величины для некоторых образцов глин и суглинков представлены в Таблице 2.1.
Типичные кривые р(є) для статических и кратковременных компрессионных испытаний образцов глин представлены на Рис. 2.3. Анализ результатов позиоляет сделать вывод о сильном увеличении объемного модуля и уменьшении предельной деформации при переходе от статической к кратковременной нагрузке. Скорость деформации при статических испытаниях є"х &І0 6 с \ а при кратковременных х &W 2 с"1,
В работе [16] для К w єр предложены зависимости от скорости деформации в виде: . /-0 где Є х = Iff6 с"1 , А І - параметры данного материала. Графически эти Щ зависимости для объемного модуля (2Л6.1) приведены на Рис.2.4. Данные проэкстраполированы до значений скорости деформации Юс". Конкретный вид аппроксимации (2.16.2) для двух грунтов приведен на рисунках 2.5.
Видно, что реакция глины на скорость деформирования в плане увеличения жесткости выше, чем у суглинка (см. Таблицу 2Л). Суглинки с малой влажностью имеют наименьшие значения А& = 0.4 - 0.7 МПа.
Максимальное значение Л = 4.5 МПа наблюдается у глины с максимальным числом пластичности и минимальным показателем текучести. Зависимости (2.20) позволяют экстраполировать влияние скорости деформирования на объемную сжимаемость на более высокие скорости деформирования.
Например, при забивке свай дизель-молотами, согласно литературным данным, характерная скорость деформации грунта в окрестности сваи ,, составляет 10 - 10 с . Применение полученных соотношений в этом диапазоне скоростей деформаций вполне приемлемо, хотя дальнейшая их экстраполяция в диапазоне скоростей 103 - 104 с 1 вряд ли возможна.
В вышеприведенных экспериментах по кратковременной сжимаемости нагрузка на каждой ступени чередовалась с разгрузкой. Это позволило приближенно оценить текущий модуль разгрузки в условиях одноосной деформации. Можно сделать вывод о возрастании модуля разгрузки в пределах изменения напряжения сжатия 0 - 1 МПа в 2 - 3 раза. Этот рост. модуля разгрузки характеризует в обобщенном смысле повышение упругих постоянных грунта при его уплотнении.
Метод конечных элементов для решения задач квазистатики с учетом реологических свойств грунтов
Для численной реализации сформулированной в предыдущем параграфе краевой задачи, с учетом введенных граничных условий и разработанных физических соотношений, будем использовать вариационную постановку в рамках принципа возможных перемещений, согласно которому 5Аа+5Ар=0 (3.28) где SAa- виртуальная работа внутренних напряжений; 8Ар - виртуальная работа заданных сил. Для поставленной задачи виртуальные работы имеют вид 8Ap = - j - S(U)dSA + Jr 5{U)dST - JY S(Us)dST - \f-5{U)dVi - \f S{U)dV2 где: S(c), 5(U) -вариации, соответственно тензора деформации и вектора напряжения. Из всех перемещений, удовлетворяющих кинематическим граничным условиям, экстремальное значение виртуальной . работы сообщают те перемещения, которые удовлетворяют уравнениям щ равновесия.
Численная реализация вариационного уравнения (3.32) была осуществлена с использованием метода конечных элементов [104,198]. Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину, такую, как напряжения, давление и перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью. В данной работе кусочно-непрерывные функции определяются лилейными симплексами (элементами) [104].
Особенностями рассматриваемой задачи являются: во-первых, необходимость определения напряженно-деформированного состояния на последовательности временных шагов, число которых может достигать порядка сотен и тысяч. Во-вторых, основные процессы развиваются в околосвайной зоне, поэтому точность решения, по сравнению с областью грунта на удалении от сваи должна быть выше.
Для решения задачи разработана численная методика, включающая в себя генерацию нерегулярной сетки и схему метода конечных элементов, м реализованные в профаммном комплексе "ELAST PLAST". Описание схемы МКЭ и профаммного комплекса приведены в Приложении 2.
Комплекс позволяет рассчитывать поведение одиночной сваи, куста свай (в осесимметричной постановке), ленточных одно- и многорядных свайных фундаментов (в приближении плоскодеформированного состояния). Исходя из требований экономии машинного времени и памяти, целесообразно использовать при решении задач требующих либо итераций по физическим соотношениям, либо шагов по времени, сетки переменного шага [92,104], Как было показано в работах [155,156], сетки со сгущением элементов в зоне проникания сваи позволяют сократить требуемый объем памяти в 3 и более раз, а время счета уменьшить в 10 и более раз. Падения точности вычислений при этом не наблюдалось. Поскольку в рассматриваемой задаче предполагается вычисление временных интегралов для ядер релаксации, то снижение количества расчетных элементов без потери точности вычислений, становится необходимым.
Опытным путем при решении большого числа задач было установлено, что для сваи диаметром 30-40 см, при глубине погружения 5-6 метров, размеры расчетной области должны быть не менее 10x6 метров (при глубине погружения 5-6 метров) и не менее 20x8 метров (при глубине 12 метров).
В расчетных программах реализован алгоритм работы с ленточными матрицами [92,104,198], поэтому после автоматической генерации сетки требуется сокращение ширины полосы - максимальной разницы номеров узлов в элементе, среди всех элементов сетки. Программно реализован алгоритм профильной перенумерации [92], дающий существенное сокращение ширины полосы.
Комплекс ELAST PLAST состоит из двух программных комплексов ELAST PLAST (PILE) и ELAST PLAST (PLANE), Комплекс ELAST PLAST (PILE) предназначен для решения осесимметричной задачи квазистатического пагружсния одиночной сваи. Комплекс ELAST PLAST (PLANE) позволяет моделировать взаимодействие ленточного фундамента и грунтового массива в плоской постановке. В обоих программных комплексах используется графический постпроцессор. Структура и компоненты программных комплексов подробно описываются в Приложении 2. На Рис.3.12 показаны основные геометрические параметры задачи для программного комплекса ELAST PLAST (PILE).: Zmax, Rmax, Re, He - размеры области, радиус сваи и глубина залегания, Hs - толщина слоя, /? - полуугол конусности головной части сваи. Расчетная область разбивается на три: (1) — область занятая грунтом, (2) -область занятая материалом сваи, (3) - область промежуточного слоя грунта.
Практический метод расчета длительных осадок свай и свайных фундаментов
Графики на Рис.3.52,3.53 позволяют рассчитать осадки ленточных фундаментов с ростверком в диапазоне нагрузок до 1000 кН/м. Порядок вычисления осадок следующий. Во-первых, устанавливается приведенная ширина фундамента В =(В+2С)/Н. Затем по графикам на Рис.3.52,3.53 определяются три значения - S2so=P25o(B ) , Ssoo=Ps6o(B ) , Swoo=Pwno(B ) (нижний индекс соответствует графику S(B ) для нагрузки Лз=250,500 и 1000 кН/м, соответственно). Значение осадки теперь можно вычислить интерполяцией по вычисленным значениям S2 „o , S500 , Stoao " заданной нагрузке Р0.
Анализ графиков па Рис.3.52,3.53 показывает, что зависимость максимальной стабилизированной и начальной упругой осадок от приведенной ширины (при фиксированной ширине В) носит нелинейный характер, причем степень нелинейности возрастает с ростом нагрузки. При увеличении ширины ростверка (в данном случае параметра В ) он воспринимает все большую часть нагрузки, разгружая при этом сваи. Это хорошо заметно по поведению напряжений сдвига по длине сваи (см. Рис.3.48), для различных значений приведенной ширины В , при одном уровне нагрузки. Уровень напряжений сдвига для значений В =0,2 и В =0,8 отличается в два раза.
Полученные результаты подтверждают известный экспериментальный факт, а именно, положительное влияние ростверка на поведение осадок в максимальной степени проявляется для сильно нагруженных фундаментов, либо на слабых грунтах. Полученные численные результаты показывают, что реологическое поведение фунтов только усиливает указанное положительное влияние ростверка. На основании проведенного численного анализа в качестве предположения, требующего дальнейшей проработки, можно высказать предположение о том, что если реологические свойства грунтов в большей степени проявляются на сдвигах, нежели на объемной сжимаемости, то отмеченное положительное влияние ростверка будет проявляться в большей степени.
Таким образом, в данном параграфе приведены результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния и поведения во времени осадок ленточных свайных фундаментов, выполненные с помощью разработанного программного комплекса "ELAST PL AST (PLANE)". Задача сформулирована в рамках плоско деформированного состояния.
Проведенный анализ однорядного фундамента (тип 1) показал, что распределение напряжений сдвига по глубине носит близкий к параболическому характер. При увеличении нагрузки Р0 возрастает не только уровень напряжений, но и кривизна эпюр, как для начальных напряжений, так и для напряжений после стабилизации.
Этот факт свидетельствует о том, что при больших нагрузках неоднородность напряженного состояния сказывается в большей степени, особенно при учете релаксационных эффектов в грунте (для сдвигов и среднего давления). Показано, что разница максимальной стабилизированной осадки фундамента S„lilx и начальной упругой осадки So проявляется в большей степени для наиболее нагруженных фундаментов.
Проведен численный анализ поведения двухрядного фундамента (тип 2) для двух расчетных схем: (А) - висячие сваи, (Б) - с ростверком. Из анализа результатов для схемы (А) следует, что осадки Smax и So (стабилизированная и начальная) монотонно уменьшаются и начиная с некоторой приведенной ширины В (порядка 0,8 - 1,0) практически не меняются. Это явление вызвано взаимным влиянием рядов фундамента.
Проведено сравнение результатов численного эксперимента с сопоставимыми экспериментальными данными [39], где действительная осадка фунда.чента составила Smax=52 мм, а расчет по предлагаемой методике дает значение осадки ІЯ,„„=50 ММ. Щ Проведен анализ для схемы (Б). Хорошо заметно, что изменение расстояния между рядами (параметра А) приводит к существенному перераспределению напряжений в грунте, как непосредственно под колоннами фундамента, так и по глубине.
В результате расчетов было установлено, что при определенных значениях А наблюдается значительная разгрузка грунта в зоне между колоннами фундамента, вплоть до появления растягивающих напряжений. Данная тенденция возрастает, при уменьшении параметра В .
Проведено численное моделирование поведения фундаментов из пирамидальных свай для вязкоупругого решения. Рассматривались варианты с фиксированным значением нагрузки для трех вариантов глубины свай Н=6, 10, 14 м, в диапазоне изменения углов наклона боковых граней а =10"30. Напряженно-деформированное состояние здесь имеет более сложный характер, в отличие от призматических свай. Анализ напряженно-деформированного состояния показывает превалирование горизонтальной компоненты тензора напряжений, которое возрастает с ростом угла. Важной особенностью полученных решений является нелинейная зависимость максимальной осадки фундамента от значения угла наклона боковой грани, при фиксированных глубинах. По данным автора аязкоупругопластическое решение для фундаментов из пирамидальных свай получено впервые.
Таким образом, в параграфе 3.3 приведены результаты численного моделирования ленточных фундаментов различных типов в широком диапазоне нагрузок и геометрических параметров. Исследовано напряженно-деформированное состояние грунта в активной зоне с учетом релаксации напряжений во времени.
