CC BY
140
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.159.5
ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail ru
Кубанский государственный аграрный университет, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sdg_samara@mail. ru
ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант, annafilich@mail ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ С ПОМОЩЬЮ ПК PLAXIS 3D FOUNDATION
В статье обосновывается возможность оценки несущей способности свай (забивных, инъекционных) в глинистых грунтах с использованием ПК PLAXIS 3D Foundation. В представленном материале дано описание методики проведения натурных экспериментов и создания их конечно-элементных схем с применением ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью Мора - Кулона. Выводы базируются на результатах сопоставления натурных экспериментов, а именно испытаний забивных и инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой и данных расчета.
Ключевые слова: моделирование; натурные эксперименты; железобетонная забивная свая; инъекционная свая, несущая способность сваи.
ANATOLIYI. POLISHCHUK, DSc, Professor, ofpai@mail. ru
DMITRIY G. SAMARIN, PhD, A/Professor,
sdg_samara@mail. ru
Kuban State Agrarian University,
13, Kalinin Str., 350044, Krasnodar, Russia
ANNA A. FILIPPOVICH, Postgraduate Student,
annafilich@mail ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
© А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович, 2013
ASSESSMENT OF LOAD CAPACITY OF PILES IN CLAY SOIL BY MEANS OF THE PLAXIS 3D FOUNDATION
The article presents the rationale for a possibility of evaluating the pile capacity (displacement piles, jetted piles) in clay soils using PLAXIS 3D Foundation program. This article describes techniques of conducting full-scale experiments and their finite element schemes using PLAXIS 3D Foundation and the elastic-plastic Mohr-Coulomb model. The implications are based on the comparative analysis of the results obtained from the full-scale experiments, namely: displacement and jetted pile tests on static pressing force and calculation data.
Key words: simulation; full-scale experiment; ferroconcrete displacement pile; jetted pile; pile capacity.
В настоящее время известны отечественные и зарубежные программные комплексы PLAXIS, MIDAS GTS, FEM models, ABAQUS, ANSIS и др., которые используются в расчетах при проектировании фундаментов зданий и сооружений. Достоверная оценка поведения фундаментов может быть установлена на основе сопоставления результатов натурных экспериментов и данных расчета.
Основная задача при подготовке статьи заключалась в определении возможности применения программного комплекса PLAXIS 3D Foundation [1] для оценки несущей способности одиночных свай. Поставленная задача решалась на основании сопоставления результатов натурных экспериментов [2, 3-5] с данными расчета методом конечных элементов.
Для создания конечно-элементных расчетных схем в ПК PLAXIS 3D Foundation были использованы исходные данные и параметры, соответствующие реальным условиям натурных экспериментов [Там же]. Это физико-механические характеристики грунтов основания, значения нагрузок и характер нагружения основания, геометрические параметры свай и др. (рис. 1).
а б
Рис. 1. Конечно-элементные расчетные схемы для моделирования системы «свая-грунт основания»: а - массив глинистого грунта, вмещающий забивную железобетонную сваю; б - то же, вмещающий инъекционную сваю;
1 - массив глинистого грунта; 2 - забивная железобетонная свая; 3 - инъекционная свая
При моделировании грунтов в основании фундаментов использовалась упругопластическая модель Мора - Кулона, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона V, удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф и угла дилатансии у. Для моделирования работы материалов опытной сваи применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками. Расчет производился в три этапа: 1 - учет гравитационной нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2 - расчет конструкций; 3 -приложение заданной величины и характера нагрузки, выбор необходимых точек для определения в них давлений и перемещений [9].
Результаты натурных экспериментов напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании свай и околосвайном пространстве принимались по работам С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова (для забивных свай) [2] и А.И. Полищука, А.А. Петухова, Р.В. Шалгинова и др. (для инъекционных свай) [3-5].
В работе [2] приведены результаты испытания свай статической вдавливающей нагрузкой. Опытная площадка была расположена в г. Ачинске и до глубины 6 метров от поверхности сложена однородной супесью пластичной со следующими физико-механическими характеристиками: плотность грунта р = 1,65 г/см3; плотность частиц грунта = 2,70 г/см3; число пластичности Ip = 7 %; показатель текучести IL = 0,6; угол внутреннего трения ф = 18-20 град; удельное сцепление с = 20 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа.
В опытах использовались железобетонные призматические сваи сечением 30^30 см и длиной 4 м. Глубина забивки сваи составила 3 м. Нагрузка на сваю передавалась ступенями. Величина нагрузки от одной ступени составляла 10 кН. Осадки фиксировались двумя прогибомерами конструкции Н.Н. Максимова при условной стабилизации, равной 0,1 мм за последние два часа.
При моделировании работы одиночной забивной сваи характеристики грунтов основания в околосвайном пространстве на расстоянии 3d от оси в горизонтальном и вертикальном направлениях были увеличены с учетом их
Рис. 2. Поперечный разрез массива глинистого грунта и одиночной забивной сваи:
1 - глинистый грунт с характеристиками естественного сложения (по материалам Ющубе и др.) [2]; 2 - область уплотненного глинистого грунта при забивке сваи [6]; 3 - одиночная железобетонная свая
Согласно экспериментальным данным, характеристики грунтов с учетом уплотнения составили: плотность грунта рупл = 1,83 г/см3; удельное сцепление супл = 34 кПа; модуль деформации Еупл = 6,8 МПа.
В экспериментах были получены результаты испытания свай статической вдавливающей нагрузкой, которые были сопоставлены с данными моделирования по ПК PLAXIS 3D Foundation (рис. 3, 4). Так, по результатам статических испытаний (опыт № 2 по материалам С.В. Ющубе и и др.) несущая способность забивной сваи составила Fd = 118 кН, а по результатам ПК PLAXIS 3D Foundation Fd = 110 кН [7].
О 20 40 SO SO 100 120 140 ISOP, кН
N N ч — 1 —t— —I—
2 j / 1!
\ \ \ : 1 j
! \\ \ i\ IN : : I i
i ! ! | Tft 1 ! V ■ ; ! : : j ; i 1 |
! ! T i ff i i ! 1
! ! -j..... | ..... ■ 1 I ! i Г 1 ! ! ! ! .....i |
! !
j ,..4..... Ill j :
! ! i l! ! i ! :
1 ! ! f i ! :! ; |
j 1
S, мм
Рис. 3. Результаты испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой:
1 - в опыте № 2 [2]; 2 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
*М Лг]
1.GD0 <1.000 -VOG0 ■J.OC0 '1.000
-5.М0
■í.MÜ -7 ЛИ
-ели
-4.QDÜ -Itr.tlOD
-íu»0
-lí.GOD
-t&X»
-ИЛШ ■l&OOO ■17-300 -ttflOD -ликИ
Рис. 4. Изолинии перемещений глинистого грунта в основании железобетонной сваи (по результатам расчета в ПК PLAXIS 3D Foundation, нагрузка на сваю Р = 110 кН)
Сопоставление показало, что ПК PLAXIS 3D Foundation можно применять для оценки несущей способности забивных свай в глинистых грунтах с точностью 10-20 %.
В работах А.И. Полищука, А.А. Петухова, Р.В. Шалгинова и др. приведены результаты испытаний инъекционных свай статической нагрузкой в глинистых грунтах [3-5]. Рассматриваемая опытная площадка была расположена в г. Томске. Устройство инъекционных свай велось в подвале реконструируемого здания (рис. 5). От отметки пола подвала до глубины 12 м залегали супеси песчанистые пластичной и текучей консистенции со следующими физико-механическими характеристиками: 1) супеси пластичные - плотность грунта р = 2,03 г/см3; плотность частиц грунта р, = 2,69 г/см3; число пластичности Ip = 6,17 %; показатель текучести IL = 0,53; угол внутреннего трения ф = 23 град; удельное сцепление с = 27 кПа; модуль деформации Е = 6,0 МПа; 2) супеси текучие - плотность грунта р = 2,02 г/см3; плотность частиц грунта р, = 2,67 г/см3; число пластичности Ip = 4,2 %; показатель текучести IL > 1,0; угол внутреннего трения ф = 22 град; удельное сцепление с = 6 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа. Подземные воды встречены на глубине 3,2-3,4 м от
ibuihi
IIIIH
■i mm
nun
"r =í== = -r
Ellllí1ÍriiFBIIIÍIHB 4V
■ IVBIIII Lu . Et NJIHH
■ i iiiiiHHiiiB ■ mm ..................
vviuiiiiiiiiii mi we g
поверхности земли. Амплитуда сезонного колебания подземных вод составляла 0,4-0,5 м. Подземные воды безнапорные.
Устройство инъекционных свай включало в себя: вдавливание инъекто-ра, тампонирование затрубного пространства в устье скважины; формирование ствола сваи путем нагнетания бетонной смеси порциями (по 0,1 м3) в скважину через инъектор; опрессовка максимальным рабочим давлением системы «свая - грунт основания» [3-5]. Всего в экспериментальных исследованиях было устроено 19 инъекционных свай. Длина испытываемых инъекционных сваи в грунте составляла 4,6-5,0 м, диаметр 250 мм [5]. Испытания инъекционных свай проводились через 14 дней с момента их устройства; за это время бетон ствола сваи набирал 50 % проектной прочности. Установка для испытаний свай состояла из гидравлического домкрата ДГ-100 и реперной системы (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид загрузочной установки для испытания инъекционных свай на опытной площадке в г. Томске:
1 - гидравлический домкрат; 2 - реперная система; 3 - индикаторы часового типа ИЧ50; 4 - инъекционная свая
В качестве упорной балки были использованы существующие цокольные железобетонные стеновые панели здания и вновь устроенный ростверк. Вертикальные перемещения испытываемой инъекционной сваи фиксировались двумя индикаторами часового типа ИЧ50 с ценой деления 0,01 мм, которые закреплялись на неподвижной реперной системе. Нагрузка на сваю составляла 170-200 кН. При этом контролировалась осадка, чтобы величина ее при заданной нагрузке не была меньше значения условно стабилизированной осадки = С;8и,т1 = 0,2 • 50 = 10 мм, где £ - коэффициент перехода от 8и,ш к осадке сваи [7]; 8и,ш - предельное значение средней осадки фундамента ре-
конструируемого здания (по данным П.А. Коновалова [8]). Несущая способность инъекционной сваи определялась при вычисленном значении осадки, равной 10 мм, т. к. устраиваемые инъекционные сваи используются для условий реконструкции здания [3-5].
Рис. 6. Результаты испытаний инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой: а - опыт № 1; б - опыт № 2:
1, 2 - в опыте № 1 и 2 [3-5]; 3 - результаты расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
По результатам статических испытаний инъекционных свай [Там же] установлена их несущая способность, которая составила Fd = 158 кН (рис. 6, а) и Fd = 168 кН (рис. 6, б), по результатам расчета ПК PLAXIS 3D Foundation - Fd = 149 кН.
Сопоставление показало, что ПК PLAXIS 3D Foundation можно применять для определения несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах с точностью 15-25 %.
Выводы
1. Установлено, что достоверные данные по определению несущей способности свай могут быть получены по результатам натурных статических
испытаний. При этом в экспериментах должна использоваться отработанная методика их проведения, а также приборы и оборудование, обеспечивающие надежность и необходимую точность измерений. Именно такие требования предъявлялись к результатам экспериментальных исследований, используемых в настоящей работе.
2. Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчета в ПК PLAXIS 3D Foundation показало, что можно определять несущую способность забивных и инъекционных свай в глинистых грунтах с точностью 5-25 % и использовать ПК PLAXIS с упругопластической моделью Mора -Кулона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 7. - СПб. : ^П-Информатика, 2004. - 274 с.
2. Ющубе, С.В. Результаты полевых исследований напряженного состояния грунта вокруг забивных коротких свай / С.В. Ющубе, КС. Рязанов // Исследования но строительным конструкциям и фундаментам : Изд-во Том. ун-та, 1980. - С. 118-122.
3. Пат. 2238366 Российская Федерация. MÜR7 Е 02 D 5/34. Способ устройства инъекционной сваи / А.И. Полищук, О.В. Герасимов, А.А. Петухов, Ю.Б. Андриенко, С.С. Hуйкин ; ЗАО HOD «Геореконструкция» ; онубл. 20.10.2004, Бюл. № 29.
4. Петухов, А.А. Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий [Improvement of a method of calculation of injection piles in soft clay soil for conditions of reconstruction of buildings] : дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2006. - 192 с.
5. Шалгинов, Р.В. Совершенствование метода расчета инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий: дис. ... канд. техн. наук. - Тюмень, 2010. - 232 с.
6. Жуков, Н.В. Расчет коротких свай на осевые вдавливающие нагрузки. - M. : ЦHИИЭП-сельстой, 1989. - 72 с.
7. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СHиП 2.02.0385. - M. : Mинрегион России, 2010. - 86 с.
8. Коновалов, П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий П.А. Коновалов, В.П. Коновалов. - 5 изд. нерераб. и дон. - M. : Изд-во ACB, 2011. - 384 с.
9. Полищук, А.И. Результаты моделирования процессов взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания / А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 1 (38). - С. 253-259.
REFRRENCES
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Rukovodstvo polzovatelya [Computer Program Manual]. Issue 7. St.-Petersburg : NIP-Informatika, 2004. 274 p.
2. Yushchube, S.V., Ryazanov, N.S. Rezultaty polevykh issledovaniy napryazhennogo sostoyani-ya grunta vokrug zabivnykh korotkikh svay [Field studies into ground stress around short displacement pies]. Issledovaniya po stroitelnym konstruktsiyam i fundamentam : Izd-vo Tom. un-ta [TSU Publishing House], 1980. P. 118-122. (rus)
3. Polishchuk, A.I., Gerasimov, O.V., Petukhov, A.A., Andriyenko, Yu.B., Nuykin, S.S. Pat. 2238366 Rossiyskaya Federatsiya. MPK7 E 02 D 5/34. Sposob ustroystva inyektsionnoy svai [Jetted pile method]. ZAO NPO «Georekonstruktsiya»; publ. 20.10.2004, Bul. No. 29. (rus)
4. Petukhov, A.A. Sovershenstvovaniye sposoba ustroystva inyektsionnykh svay v slabykh glin-istykh gruntakh dlya usloviy rekonstruktsii zdaniy [Improvement of a method of calculation of
injection piles in soft clay soil for conditions of reconstruction of buildings]. Tomsk, 2006. 192 p. (rus)
5. Shalginov, R. V. Sovershenstvovaniye metoda rascheta inyektsionnykh svay v glinistykh grun-takh dlya usloviy rekonstruktsii zdaniy [Improvement of jetted pile method in clay soils for building reconstruction]. Tyumen, 2010. 232 p. (rus)
6. Zhukov, N.V. Raschet korotkikh svay na osevyye vdavlivayushchiye nagruzki [Axial pressing force method of short pile design]. Moscow : TsNIIEPselstoy, 1989. 72 p. (rus)
7. SNiP 24.13330.2011. Svaynyye fundamenty [Pile Foundations]. Amended 2.02.03. 85. Moscow : Minregion Rossii, 2010. 86 p.
8. Konovalov, P.A., Konovalov, V.P. Osnovaniya i fundamenty rekonstruiruyemykh zdaniy [Footings of reconstructed buildings]. 5th edition, amended. Moscow : Izd-vo ACB [ASV Publishing House], 2011. 384 p. (rus)
9. Polishchuk, A.I., Samarin, D.G., Filippovich, A.A. Rezultaty modelirovaniya protsessov vzai-modeystviya fundamentov s glinistym gruntom osnovaniya [Process modeling of soil-structure interaction]. Vestnik of Tomsk University of Architecture and Building. 2013. No. 1 (38). P. 253-259. (rus)
