Взаимодействие элементов системы «сваи-ростверк-каркас здания» при сейсмическом воздействии

Основная логическая идея диссертации состоит в следующем. Широко известны явления разжижения пылеватых во до насыщенных песков при сейсмическом воздействии. Классический пример — погружение зданий вплоть до полного опрокидывания при землетрясении в г. Ниигата в 1964 г. (рис. 1 и рис.2). Смещения и наклон зданий обусловлены превращением во-донасыщенного песка в вязкую жидкость. В связи с этим автор поставил перед собой задачу разработки варианта свайного фундамента, способного удержать здание от сейсмических деформации.

Такой фундамент должен выдержать горизонтальные сейсмические нагрузки при условии, то) на большой части длины свай они взаимодействуют с практическим жидким грунтом. Следовательно, возникает необходимость экспериментальном и расчетно-теоретическом исследовании поведения сваи при горизонтальной нагрузке.

В конечном итоге требуется комплексная оценка прочности всех элементов системы «свая-ростверк-каркас здания» при действии горизонтальных и моментаых сейсмических нагрузок.

Указанная логическая идея и определила содержание диссертационной работы, а также круг вопросов, изученных при чтении и анализе предшествовавших исследований разных авторов.

01. Вопрос сейсмостойкости.

В сейсмически опасных районах земного шара ежегодно происходит около 700 землетрясений с магнитудой 5.7 и более. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений имеет большое значение для сохранности человеческих жизней, материальных и культурных ценностей. От степени обоснованности методов расчета и оценки сейсмостойкости зданий и сооружений в значительной мере зависят масштабы социально-экономического ущерба, принимаемого землетрясениями.

Исследование, расчет и проектирование сейсмостойких зданий и сооружений, обладающих высокой надежностью и экономичностью, до сих пор остается весьма сложной и ответственной задачей. Существуют различные, иногда спорные, гипотезы о состоянии зданий во время землетрясений, Это объясняется не только сложностью процессов, происходящих при сейсмических колебаниях зданий, но и недостаточно полными данными о характере и величинах сейсмических воздействий. Ученые и строители, занимающиеся сейсмостойким строительством, располагают неполной информацией. Поэтому изучение и обеспечение сейсмостойкости, а также сейсмозащиты зданий и сооружений является актуальной.

Следует отметить, что результаты инженерного анализа последствий мировых и региональных землетрясений последних лет выявили ряд проблем, которые требуют более детального изучения и исследования. В первую очередь, при реальных землетрясениях высокой интенсивности повреждаются отдельные железобетонные конструкции, элементы и узлы сейсмостойких зданий и сооружений. При этом изменяются прочностные, деформативные и динамические характеристики конструкций зданий в процессе сейсмического воздействия. Последующей задачей является учет факторов, влияющих на прочностные и деформативные свойства железобетонных конструкций при землетрясениях различной интенсивности в стадии проектирования или эксплуатации зданий.

Один из главных источников решения этой актуальной задачи является разработка и внедрение в практику строительства новых, наиболее рациональных конструкций сейсмостойких зданий и сооружений.

Имеющаяся в настоящее время информация о характере сейсмических колебаний земли и поведения различных конструкций при разрушительных землетрясениях, а также при других динамических воздействиях позволила создать современную теорию сейсмостойкости, на основе которой разработаны практические методы расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия.

Сейсмические колебания сооружения в первую очередь зависят от характера передачи грунтом сейсмических волн сооружению, т. е. от взаимодействия с грунтом. Важную роль играют условий заделки сооружения в основание, тип подстилающих основание грунтов, изменения свойств грунтов и развитие остаточных деформаций в основании при сильных землетрясениях, механизм передачи различными типами фундаментов колебаний грунта сооружению. Различные аспекты этих проблем исследовали Д. Д. Баркан, С. С. Дарбиниян, ВЛ. Ильчиев, Г. Н. Карцивадзе, Н. С. Снитко, О. Я. Шехтер и др. До недавно времени при анализе последствий землетрясений в сейсмических районах основной причиной повреждений и разрушений промышленных и гражданских зданий считалась недостаточная прочность элементов конструкций надфундаментных частей зданий. Это свидетельствует о том, что проблеме сейсмостойкости оснований и фундаментов не уделялось должно внимания [47].

В то же время сейсмостойкость зданий и сооружений может достигаться не только за счет повышения прочности несущих элементов надфунда-ментной части, но и путем совершенствования конструкций самих фундаментов, способных рассеять часть сейсмической энергии, не передавая на надфундаментые части конструкций.

Традиционный путь обеспечения сейсмостойкости зданий (за счет увеличения размеров сечения, армирования, повышения марок прочности материалов и т. д.) принято считать пассивным методом сейсмозащиты. Новый путь обеспечения сейсмостойкости зданий, связанный со снижением инерционных сил, развивающихся в сооружениях при землетрясениях за счет специальных конструктивных мероприятий называют активным методом сейсмозащиты. Основным недостатком осуществления пассивных мер сейсмозащиты является повышение дополнительного расхода основных строительных материалов. Осуществление активных мер сейсмозащиты позволяет решить задачу снижения наиболее опасных горизонтальных сейсмических нагрузок на надфундаментые части здания путем целенаправленного изменения его динамических свойств. При этом изменение динамических свойств достигается с помощью конструктивного переустройства какого-либо элемента здания или сооружения (например, фундамента, технического этажа и т. п.). В настоящей работе исследуется возможность снижения инерционных горизонтальных сил в надфундаментной части здания с жесткой конструктивной схемой с помощью свайных фундаментов, обладающих повышенными дис-сипативными свойствами.

Однако наибольший интерес к способам снижения инерционных сил на надфундаментную часть здания проявляется с конца XIX века. Одновременно делались попытки обоснования этих способов на основе результатов инженерного анализа последствий землетрясений. Например, Р. Джоши указывает, что при землетрясениях в Ассаме (Индия) сооружения, у которых надземная часть конструкции в целом свободно перемещалась по основанию, пострадали слабее, чем сооружения, у которых надземная часть была жестко закреплена в основании. Он рекомендовал вводить прослойку между основанием и надземной частью зданий. По его мнению, это уменьшает силы и движения, передаваемые сооружению от грунта.

К началу воздействия сваи находится в вертикальном положении, что соответствует состоянию устойчивого равновесия. Введенное из этого состояние здание будет испытывать нагрузку, равную восстанавливающей силе. Величина восстанавливающей силы зависит от величины отклонения верха и жесткости сваи. Если сейсмическое воздействие представить горизонтальными смещениями основания с ускорением Уо, то для жесткой системы это равносильно приложению в уровне сосредоточенной массы М. Горизон-тальной силы 5 = У0М.

Свайные фундаменты позволяет часть сейсмической силы 8 направить на деформацию сваи, вместе с тем, и на перемещения надфундаментои части здания в целом, уменьшая деформации ее несущих конструкций. Шарнирное соединение ростверка со сваями уменьшает изгибную жесткость сваи по сравнению с соответствующим жестким соединением, увеличивает период собственных колебаний системы, что способствует достижению намечаемой цели — снижению горизонтальной сейсмической нагрузки.

Проблема сейсмостойкости оснований и фундаментов является частью общей проблемы сейсмостойкости зданий и сооружений должна решаться при тех же предпосылках и с использованием тех же общих подходов, что и вся проблема.

Может возникнуть вопрос о возможности снижения горизонтальной составляющей сейсмических воздействий, поскольку, как известно, сваи уплотняют грунт и, следовательно, можно ожидать, что такой более плотный грунт, исходя из общих представлений о влиянии грунтов на интенсивность сейсмического воздействия, уменьшит это воздействие на сооружение. В принципе это обстоятельство подтверждается в некоторой степени результатами экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях.

Наличие свайных фундаментов учитывают при оценке динамических свойств сооружений. Свайные фундаменты различных конструкций (высокий или низкий ростверк, условия сопряжения свай с ростверком, размеры поперечного сечения свай) могут оказать определенное влияние на частоты и формы собственных колебаний сооружения и, следовательно, на нагрузки, которые возникают в сооружении при этих колебаниях.

При оценке несущей способности элементов сооружения необходимо оценить несущую способность свайного фундамента как одного из указанных элементов.

Свайные фундаменты всегда считались надежным основанием сооружений и применились в наиболее неблагоприятных грунтовых условиях, поэтому можно предполагать, что это свойство надежности может проявиться и в сейсмических условиях. По результатам обследования последствий землетрясений было выяснено, что сооружения на свайных фундаментах действительно имели меньшие остаточные осадки и получали меньшие повреждения в наземных конструкциях. Однако при расчете свайных фундаментов на сейсмические воздействия необходимо учитывать работу свай на изгиб от горизонтальной сейсмической нагрузки и возможность снижения несущей способности свай на вертикальную нагрузку.

Исследования динамических характеристик свайных фундаментов при горизонтальных, а также при вертикальных воздействиях показали, что частоты собственных колебаний сваи, полностью погруженной в грунт, весьма велики и измеряются десятками герц. Как известно, частоты колебаний сооружений при сейсмических воздействиях обычно не превышают 10−15 Гц. При таких частотах колебаний динамические усилия в сваях незначительно отличаются от статических, т. е. при сейсмических колебаниях Свайный фундамент как парциальная система деформируется квазистатически и, следовательно, при анализе ее напряженно-деформированного состояния силами инерции можно пренебречь.

Первые эксперименты по определению несущей способности свай на вертикальную нагрузку с учетом сейсмических воздействий, проведенные Ш. Г. Напетваридзе и Б. Н. Самковым на моделях висячих свай, показали, что при сейсмических колебаниях происходят дополнительные осадки свай, свидетельствующие о снижении их несущей способности. Это снижение оценивалось коэффициентом, определяемым отношением несущей способности сваи при сейсмических воздействиях и в статических условиях.

Многочисленными исследованиями установлено, что при низких частотах горизонтальных колебаний (до 10−15 Гц), характерных для землетрясений, динамические эпюры изгибающих моментов по длине свай незначительно отличаются от статических. На напряженно-деформированное состояние системы «свая-грунт» при горизонтальных гармонических нагрузках, частота которых ниже частоты собственных колебаний свай, силы инерции оказывают несущественное влияние и, следовательно, ими можно пренебречь. Иными словами, напряженно-деформированное состояние системы «свая-грунт» при действии низкочастотных нагрузок на уровне головы сваи можно рассчитать по формулам статики, используя в расчетах амплитудные значения возмущающей силы. Учитывая, что при землетрясении длина сейсмических волн, распространяющихся в грунте, намного превышает размеры сваи, а преобладающие частоты колебаний грунта намного ниже частот свободных горизонтальных колебаний системы «свая-грунт», деформации и напряжения в указанной системе, являющейся частью системы «сооружение-грунт», могут быть также определены статическими методами расчета.

Таким образом, для практических расчетов и при анализе результатов экспериментов в указанном выше диапазоне частот можно использовать решения, полученные для статических задач. Поскольку такие решения либо отсутствуют, либо весьма сложны, целесообразно привести необходимые расчетные формулы для определения прогибов и усилий в свае при действии горизонтальной силы.

Как уже отмечалось, при расчете на сейсмические воздействия амплитуды колебаний фундамента не ограничиваются, в связи, с чем влияние вертикальной нагрузки на усилия и деформации в системы «свая-грунт» может оказаться существенным.

02. Свайные фундаменты.

В настоящее время большое распространение в строительстве получили свайные фундаменты как наиболее перспективные, позволяющие обеспечить экономичность работ нулевого цикла.

Надежность оснований и фундаментов и удешевление работ по их устройству в значительной степени зависит от умения правильно оценить свойство грунтов в основаниях и совместную работу этих грунтов с деформирующимися фундаментами и конструкциями сооружения.

В решении этой задачи большое значение придается фундаментострое-нию. Несмотря на всемирное развитие фундаментостроения, работы по возведению подземных частей сооружений еще весьма трудоемки и имеют высокую стоимость. В общем комплексе строительномо-нтажных работ, выполняемых при возведении зданий и сооружений, около 15% трудозатрат и до 40% общих затрат времени занимают работы по устройству фундаментов, поэтому их удешевление дает вполне ощутимый эффект. Добиваться уменьшения таких затрат следует путем интенсификации производства, в том числе за счет максимального индустриализации работ, не допуская при этом возведения ненадежных фундаментов, так как это может привести к обрушению зданий и сооружений.

Свайный фундамент представляет собой сложную механическую систему взаимодействия следующих элементов «ростверк-свая-грунт». В свою очередь, свайные фундаменты здания находятся во взаимодействии с его надфундаментными конструкциями.

Вопросы совместной работы сваи, грунта и ростверка требует дальнейшего исследования. К ним относятся: характер распределения реактивных давлений грунтов на сваи, глубина расположения нулевой точки, смещение ствола сваи при различных изгибных жесткостях свай в системе «свая-грунт» и другие.

Экспериментальные и теоретические исследования различных аспектов работы свайных фундаментов, проведенные учеными и специалистами во многих странах мира показали, что изменения начальных свойств грунтов при погружении свай, зависимость этих изменений от технологии устройства свайных фундаментов и используемого оборудования, взаимное влияние свай при их совместной работе в группах, включение, в ряд случаев, в работу низкого ростверка и многое другое предопределило чрезвычайно сложный характер взаимодействия свай с грунтами основания, не поддающийся строгому математическому описанию. Поэтому, как правило, расчет свайных фундаментов, включая и определение их осадок и кренов, ведется по упрощенным схемам с использованием закономерностей, установленных опытным путем. Такие методики значительно упрощают технику вычислений и позволяют хотя и приближенно (инженерные), но во многих случаях с достаточной для практических целей точностью произвести расчет. Примером инженерной методики, широко используемой на практике, является методика расчета несущей способности одиночных свай по таблицам СНиП 2.02.03.85 «Свайные фундаменты».

По мере накопления и обобщения опытных данных и совершенствования аналитических методов исследований, применяемых в настоящее время, условные схемы и инженерные методы расчета развиваются и совершенствуются.

Теоретические и экспериментальные работы В. Н. Голубкова [30,31]- В. Г. Федоровского, C.B. Курилло и Н. А. Кулакого [131]- .А. А. Григорян, Г. С. Лемуковича и И .Я. Луковского [36]- А. Н. Довгия, Г. С. Лемуковича и И. Я. Луковского [44]- Г. С. Лемуковича и И .Я. Луковского [81]- Л. В. Мазуренка и Д. А. Шварцмана [83]- Д. В. Ангельского [4]- B.C. Миронова [91,92]- К. Гафа-ров [27]- Б. Ю. Калиновича [55]- О. В. Карасева, Г. П. Таланова, С. Ф. Бенда [57]- и других позволили рассчитать свайных фундаментов при строительстве в сложных грунтовых условиях. А. А. Бартоломей. И. М. Омелъчак и Б. С. Юшков [11] изложили методы определения полных осадок, и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и виды эпюр ее передачи по боковой поверхности и в плоскости острия свай.

Однако следует отметить, что методы расчета свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях остаются еще недостаточно разработанными. В связи с этим сохраняется актуальность разработки и уточнения расчетных схем взаимодействия фундаментов с грунтом и зданием с целью обеспечения надлежащей базы для проектирования. Из основных проблем можно перечислить следующие: выявление зависимостей между нагрузкой и перемещениями сваи экспериментальным путемразработку расчетной схемы для определения смещений и напряженно-деформированного состояния сваи при действии горизонтальной и момешной нагрузкиразработку расчетной схемы механического взаимодействия свай и ростверкаразработку расчетной схемы для определения напряженно-деформированного состояния в конструкциях зданий и сооружений на свайных фундаментах;

— составление алгоритмов и программ для ЭВМ, реализующих указанные выше расчеты;

— проведение численных экспериментов, их анализ и выдача рекомендаций практического характера.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— проведены экспериментальные исследования для установления зависимостей между горизонтальным усилием в голове сваи и перемещениями сваи, вплоть до потери несущей способности. Разработан новый экспериментальный стенд для лотковых испытаний. Получены новые экспериментальные факты;

— предложена новая расчетная схема дня определения смещений и напряжений в свае с учетом нелинейной зависимости деформаций грунта от давленияпроведены численные эксперименты и получены новые результаты в расчетах по новой методикеразработаны новые алгоритмы и программы для ЭВМ к расчету взаимодействию каркаса со свайным фундаментом при сейсмическом воздействии.

На защиту выносятся:

— результаты лотковых экспериментов по нагружению свай горизонтальным усилием в голове;

— экспериментальное обоснование расчетной схемы нелинейного взаимодействия сваи с грунтомпредложенная расчетная схема взаимодействия элементов системы «сваи-ростверк-каркас здания» — математический аппарат предложенной схемы и результаты проведенных численных экспериментов;

— алгоритмы и программы для ЭВМ расчетов сейсмостойкости здания на свайном фундаменте;

Изложение содержания диссертационной работы принято в следующем порядке.

В первой главе дается краткий обзор результатов экспериментально-аналитических исследований работы свай и свай в кусте при значительных горизонтальных или моментных нагрузках, их методы расчета. Основная логическая идея диссертации состоит в следующем. Широко известны явления разжижения пылеватых водонасыщенных песков при сейсмическом воздействии. Классический пример — погружение зданий вплоть до полного опрокидывания при землетрясении в г. Ниигата в 1964 г. (рисЛ и рис.2). Смещения и наклон зданий обусловлены превращением водонасыщенного песка в вязкую жидкость. В связи с этим автор поставил перед собой задачу разработки варианта свайного фундамента, способного удержать здание от сейсмических деформаций. Отмечено, что, несмотря на значительное число работ в области свайных фундаментов, вопрос исследования их поведения изучен недостаточно.

Во второй главе изложены цели, программа и методика проведения экспериментальных исследований деформации свай. Представлены результаты экспериментальных исследований и их анализ.

В третьей главе решена задача о взаимодействии одиночной сваи с грунтовым массивом. Дано сопоставление результатов для случая однородного и многослойного массивов грунта.

Четвертая глава посвящена задаче о Совместной работе зданий и сооружений со свайным фундаментом при сейсмическом воздействии. Рассмотрены общие положения расчета сейсмических нагрузок в соответствии с указаниями СНиП П-7−81.

Приводится расчет конкретного здания, по основным параметрам подобного накренившемуся зданию в г. Ниигата при землетрясении в 1964 г.

В пятой главе рассматривается задача об усилении фундаментов здания с помощью наклонных свай. Изложены предложения по реконструкции фундаментов здания на слабых грунтах с использованием расчетных методик диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа выполнена на кафедре Строительных конструкций и сооружений РУДН.

Рис. 2. Общий вид здания, наклонившиеся или опрокинувшиеся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

1. Экспериментально получены зависимости между смещениями и давлением для сваи, нагруженной в голове горизонтальной силой.

2. На основе экспериментальных данных разработана расчетная схема взаимодействия сваи с грунтом при действии в голове сваи горизонтальных и моментных нагрузок.

3. Решены задачи о взаимодействии свай с грунтом в многослойном массиве.

4. Разработан эффективный алгоритм решения задач о взаимодействии свай с грунтом при нелинейной зависимости «смещение-давление» методом конечных разностей.

5. Решена задача о совместной работе свай и ростверка.

6. Дан комплексный расчет напряженно-деформированного состояния элементов каркаса, ростверка и свай для здания при 8-балльном землетрясении.

7. Предложенная методика комплексного расчета взаимодействия элементов системы «сваи-ростверк-здание» использована при проектировании усиления фундаментов реального здания.