CC BY
18
УДК 624.15
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ СОСЕДНИХ ФУНДАМЕНТОВ, РАЗДЕЛЕННЫХ
ШПУНТОВЫМ РЯДОМ
© 2013 г. И.Н. Чиж
Чиж Ирина Николаевна - аспирант, кафедра «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаменто-строение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Chizh Irina Nikolaevna - post-graduate student, department «Industrial and civil engineering, geotechnics and foundation engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: [email protected]
Представлен комплексный экспериментально-численный подход к исследованию процесса взаимовлияния соседних фундаментов существующего и возводимого зданий на песчаном основании. Определяются границы взаимовлияния фундаментов и функциональная связь расстояния между фундаментами с геометрией шпунта. По результатам исследования составлена таблица подбора параметров отрезного шпунтового ряда для различных условий строительства.
Ключевые слова: моделирование; расчет; взаимовлияние; шпунтовый ряд; сравнение; оптимальные параметры.
The article deals with complex experimental and numerical research method of influence of neighboring foundations of an existing building and a constructed one on a sand base. Confines of foundations influence and functional connection offoundations distance and parameters were defined. According to the study, a table of pile's parameters selection for various construction conditions was composed.
Keywords: modeling; calculation; influence; sheeting; compare; optimal parameters.
В настоящее время интерес к проблемам, связанным со строительством новых объектов в непосредственной близости к существующим строениям, значительно возрос во всем мире. Для сокращения площади строительной площадки, снижения объемов земляных работ, обеспечения устойчивости вертикальных стен котлована широкое применение получило шпунтовое ограждение. Однако в стесненных условиях возникает принципиально новая геотехническая задача - разработка и обоснование рациональных и эффективных методов по возведению зданий с учетом обеспечения сохранности исторически сложившейся застройки городских районов.
Статья посвящена решению актуальной проблемы, связанной с использованием шпунтового ограждения в качестве защитной конструкции существующих строений при новом строительстве в непосредственной близости. Выполнено экспериментальное и численное моделирование поставленной задачи с учетом изменения геометрии шпунтового ограждения.
В целях экспериментального изучения влияния нового строительства на существующие строения на кафедре «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение» Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск) сконструирована испытательная установка с объемным лотком из органического стекла размерами 800x105x600 мм (/хЬхИ) (рис. 1). Штампы, моделирующие фундаменты, представляют собой металлические параллелепипеды с размерами 100x50x27 мм (/хЬхЩ. Шпунт выполнен в виде ме-
таллической пластины толщиной 2 мм. Для эксперимента подготовлено 10 пластин разной длины (1 Ь - 10 Ь) шириной 100 мм.
Рис. 1. Общий вид испытательной установки
Целью проведения экспериментов являлось изучение напряженно-деформированного состояния основания фундамента существующего здания под воздействием нового строительства. Испытания проводились на песчаном основании (объемный вес у = 16,5 кН/м3; коэффициент пористости е = 0,519; природная влажность W = 2 %; удельное сцепление
с = 0,1 кПа; угол внутреннего трения ф = 43°) при раздвижке фундаментов на расстояния, кратные 0,5Ь (где Ь - ширина фундамента). Опыт выполнялся в два этапа: I этап - нагружение модели фундамента существующего здания до 40 кПа; II этап - нагружение модели фундамента возводимого здания до 100 кПа.
В результате анализа Приложений Д и Л СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» [1] автором статьи получено соотношение Sadurшx < < 0,17 Sumax (где Sumax - предельные деформации основания; Sad,umяx - предельные дополнительные деформации основания), определяющее граничные условия исследования.
Экспериментально получено, что при расстоянии между фундаментами 3Ь взаимовлияние минимально. Поэтому лотковые исследования влияния шпунта на дополнительные деформации исторически сложившейся застройки выполнены при расстоянии между фундаментами существующего и возводимого здания L = 0,5Ь; 1Ь; 1,5Ь; 2Ь; 2,5Ь. Чтобы изучить эффективность места положения шпунтового ряда, для каждого значения Li проводились эксперименты в трех позициях шпунта (/): I = 1/4Lг■ от существующего здания; посередине I = 1/2Li^; I = 3^г- от существующего здания (рис. 2). При этом для каждой позиции шпунта проводились опыты по оценке эффективности его длины с соблюдением условия Sad,umax < 0,17Sumax.
Существующее здание
Возводимое здание
- О Шпунт
1/4L 1/2L 3/4L
Рис. 2. Схема положения шпунта в трех позициях
Всего подготовлено и проведено более 100 экспериментов с трехкратной повторяемостью, результаты которых представлены в табл. 1.
Таблица 1
Расстояние между фундаментами Положение шпунтового ряда
1/4L 1/2L 3/4L
0,5b 7b 7b 7b
1,0b 7b 7b 7b
1,5b 6b 6b 6b
2,0b 6b 6b 5b
2,5b 4b 3b 2b
Таким образом, можно сделать вывод, что положение защитного отрезного ряда не имеет значения при новом строительстве на расстоянии до 2Ь от существующего строения. При больших расстояниях
эффективнее устанавливать шпунт ближе к возводимому зданию.
С целью более объективной оценки полученных экспериментальных данных автором выполнен расчет модельной задачи с аналогичными размерами в программном комплексе РЬиАХШ 8.5, базирующемся на методе конечных элементов [2]. Построение расчетной схемы производилось на основе теории подобия лотковым условиям. Численное моделирование выполнено в рамках плоской задачи нелинейной теории упругости с применением упругопластичной модели материала основания Кулона - Мора (рис. 3).
Рис. 3. Геометрическая модель численного моделирования (размеры в миллиметрах)
Принято автоматическое построение сетки КЭ с размером элемента Fine (Мелкий), что дает наиболее точные результаты (рис. 4).
Рис. 4. Общий вид конечноэлементной модели
Функция пошагового выполнения расчета программного комплекса РЬАХШ 2D позволяет задать нагружение в две фазы: (Phase_1) - нагружение существующего здания; (Phase_2) - совместная работа двух фундаментов и разделительного шпунтового ряда - и оценить деформации существующего здания до и после возведения нового, тем самым определить дополнительные перемещения и напряжения существующего фундамента.
В общем выполнено 177 расчетов: 6 - на взаимодействие двух фундаментов при различном расстоянии между ними; 171 - на работу разделительного шпунтового ряда с двумя переменными геометриче-
скими параметрами (длина и положение) при различном расстоянии между фундаментами.
В численном эксперименте по аналогии с физическим исследовались дополнительные осадки основания под фундаментом существующего здания в зависимости от расстояния, на которое удалены фундаменты, и геометрии шпунтового ряда (рис. 5).
Результаты взаимодействия соседних фундаментов, полученные на численной модели, сравнивались с результатами физического моделирования и представлены на графике (рис. 6).
Расхождение результатов физического и вычислительного экспериментов составило 8 - 14 %, что свидетельствует об адекватности физического модельного эксперимента.
Исследование работы разделительного шпунтового ряда в РЬАХ.Ш 2Б проводилось в пяти положениях: вплотную у существующего здания I = 0; I = 1/4£,- от существующего здания; посередине I = 1/2Х,; I = 3/4£,-от существующего здания; вплотную у возводимого здания I = (рис. 7). Длина шпунтовой стенки принималась кратной 0,5Ь (где Ь - ширина фундамента).
Рис. 5. Изолинии вертикальных перемещений геометрической модели
Рис. 6. График зависимости дополнительной осадки штампа Рис. 7. Схема положения шпунта
существующего здания от расстояния между фундаментами в пяти позициях
в экспериментальном и численном моделировании
Таблица 2
Длина отрезного шпунтового ряда ниже подошвы фундамента в зависимости от ширины фундамента Ь
Здания и их категории технического состояния Расстояние между фундаментами
0,5b 1,0b 1,5b 2,5b 2,5b
Гражданские и производственные одноэтажные и многоэтажные здания с полным железобетонным каркасом I 5b 3,5b - - -
II 6b 6b 3b 2,5b -
Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из крупных панелей и крупных блоков или кирпичной кладки без армирования I 5,5b 5,5b 3b 1b -
II 6,5b 6b 4,5b 3b -
Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича или бетонных блоков с арматурными или железобетонными поясами I 6b 6b 3,5b 2,5b -
II 7b 7b 6b 4,5b 1,5b
Численное моделирование показало, что шпунто-вый ряд, установленный вплотную к возводимому зданию, наиболее эффективен в качестве защиты близрасположенных существующих строений. Для такого положения шпунта в табл. 2 автором подобраны параметры его длины ниже подошвы фундамента в зависимости от ширины фундамента (Ь).
Сравнение результатов физических и численных модельных экспериментов позволило сделать следующие выводы:
1) лотковое моделирование позволяет получить достоверный результат об усадке фундаментов, разделенных шпунтовым рядом, при значительно меньших затратах, чем натурный эксперимент;
Поступила в редакцию
2) численное моделирование дает количественную оценку о дополнительных перемещениях и напряжениях, возникающих в основании существующего здания при возведении вблизи него другого строительного объекта;
3) разработать практические рекомендации по подбору параметров защитной шпунтовой стенки для различных условий строительства.
Литература
1. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений.
2. PLAXIS 2D 2011: учеб. пособие.
4 апреля 2013 г.
