Определение влияния вспомогательного ростверка на несущую способность сваи усиления цокольного здания с учетом неравномерной осадки

Для увеличения несущей способности свай усиления (дополнительных трубобетонных свай, задавленных под консоли цокольного здания), предполагается изготовить вокруг сваи, в зоне контакта сваи с грунтом, железобетонный элемент усиления в форме кольца. Оно охватывает сваю и перераспределяет часть нагрузки от сваи на верхнюю часть грунта. Несущую способность сваи необходимо увеличить для создания надежной жесткой опоры под домкратный узел. В данном разделе будет определено, какую часть нагрузки передает планируемый вспомогательный ростверк на грунт и на сколько увеличивается несущая способность и жесткость сваи при варьировании размера усилительного кольца.

Рассмотрен расчет одиночной сваи, заглубленной в грунт на 6 м. Диаметр сваи 30 см. Параметры грунта приняты согласно «Техническому отчету по инженерно — геологическим изысканиям на объекте «Жилой дом по ул. Октябрьской, 63 в г. Белово Кемеровской области, ЗАО Спецфундаментстрой, 1999г». При этом использованы худшие значения физико — механических параметров грунта — рассмотрен случай полностью замоченного грунтового массива. Все параметры соответствуют геологическим данным для замоченного грунта. Это определяет несколько заниженную несущую способность сваи. Однако в данном расчете основным было не определение непосредственно несущей способности, а относительное ее увеличение при устройстве вспомогательного ростверка, т.к. геологические данные приведены только для двух шахт, до глубины 15 м, а фактическое состояние грунтового массива внутри пятна здания неизвестно. Расчетная схема принята согласно гипотезам осесимметричной деформации. Свая погружена в грунтовый массив размером 30×30м. По высоте рассмотрен многослойный массив, структура которого соответствует данным геологических изысканий. Рассмотрены 4 варианта (отсутствие кольца, кольцо размеров 25 см, 37.5 см, 50 см (от края сваи до края кольца)).

Расчет проведен в физически нелинейной постановке метом конечных элементов. Предельная поверхность для грунтового массива описывается гипотезой Мизеса — Шлейхера — Боткина для грунтовых массивов. Для раскрытия нелинейности использован шаговый метод. Шаг приращения нагрузки принят 2,5 т. Результаты выводились начиная с 20 т с шагом 5 т. Расчет проведен по программному комплексу ПОЛЮС. Основные результаты приведены в графической форме.

На Рис. 1 — Рис. 3. приведены изолинии вертикальных перемещений и вертикальных нормальных напряжений в различных фрагментах расчетной области при разных значениях нагрузки и вариантах схемы. Там же показаны зоны предельного равновесия по гипотезе Мизеса — ШлейхераБоткина и их развитие при росте нагрузки[1]. На Рис. 4 показаны графики «нагрузка — осадка» для четырех вариантов устройства вспомогательного ростверка. приведены данные о напряженном состоянии расчетной области с ростверком 500 мм при разных нагрузках.

ростверк грунт свая несущий.

Рис. 1. — Расчетная МКЭ — модель с ростверком 250 мм.

По результатам расчетов можно сделать заключение о качественной стороне совместной работы сваи с ростверком. Зоны предельного равновесия в грунте при всех вариантах образуются после достижения нагрузкой значения 20 т.

Рис. 2. — Вариант ростверка 1. Р=45т, перемещения

Рис. 3. — Вариант ростверка 4. Р=40т, перемещения

На первом этапе предельное равновесие начинает развиваться в узкой зоне, которая расположена в примыкающем к свае грунте на глубине от половины высоты сваи. Далее, для сваи без ростверка, начинается процесс лавинообразного развития зон предельного равновесия (зон скольжения), и в диапазоне 35−40т наблюдается срыв сваи — перемещения возрастают от 25 до 170 мм. Затем в процесс вовлекаются значительные по объему массы грунта, зоны скольжения развиваются по всей длине сваи и под ее подошвой, при нагрузке 45 т перемещение составляет 810 мм. Поэтому «эталонную» несущую способность сваи следует ограничить 35 т.

Отметим, что зависимость «нагрузка — осадка» имеет хорошее совпадение с эмпирической — см. результаты испытания сваи 4 согласно «Техническому отчету по инженерно — геологическим изысканиям на объекте «Жилой дом по ул. Октябрьской, 63 в г. Белово Кемеровской области, ЗАО Спецфундаментстрой, 1999г"[2].

Для сваи с ростверком характерна следующая картина. При малых нагрузках ростверк практически не работает. В окрестности примыкания ростверка к свае образуется «лунка» за счет того, что свая увлекает за собой грунт при осадке. Скорость перемещения частиц грунта в лунке выше скорости перемещения точек жесткого ростверка, перемещению которого препятствуют частица грунта на границе ростверка, не вошедшие в лунку. Поэтому работает сравнительно небольшая часть ростверка возле границы, а центральная часть ростверка препятствует свободному перемещению лунки и в грунте возникают растягивающие напряжения — см. Естественно, растягивающие напряжения грунтом не воспринимаются и в этой области просто отсутствует контакт между подошвой и грунтом. Затем вдоль второй половины сваи также образуются зоны скольжения, что приводит к увеличению осадки сваи без соответствующего развития лунки по глубине. Это вызывает интенсивное перемещение ростверка, он «догоняет» центральную часть грунта, и происходит перераспределение напряжений, которые становятся сжимающими, т. е. ростверк полностью включается в работу — см. Это приводит к замедлению скорости роста касательных напряжений по поверхности сваи и увеличению общей жесткости системы в вертикальном направлении.

Рис. 4. — Графики осадки влияния кольца подкрепления

1. Якобсон Л. С., Родинко О. Н. Инструкция к программе расчета стержневых систем на ЕС ЭВМ (МАРСС ЕС-76) [Текст].

// ЦНИПИАСС, 1978. С. 82.

• 2. СП 50−101−2004. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений[Текст] // Введ. 2004;03−09 — М., Госстрой России. 2005. С. 137.
• 3. Капцов П. В., Костыленко К. И. Вода в дисперсных системах, предназначенных для изготовления пенобетонных смесей. [Текст] // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», ФГБОУ ВПО «МГСУ». 2012 — № 11. С. 168−171.
• 4. Хо Чантха, Зотова Е. В., Гусаренко С. П. Численная оценка НДС конструкций по результатам геодезических наблюдений за деформациями здания. [Текст] // «Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета» 2012 — № 1. — С. 151.
• 5. Кадомцев М. И., Ляпин А. А., Тимофеев С. И. К вопросам построения эффективных алгоритмов расчета системы «сооружение-грунт» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона» 2012 г. — № 1 — Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/issue/102?page=4 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 6. Зотова Е. В., Панасюк Л. Н. Численное моделирование динамических систем с большим числом степеней свободы на импульсные воздействия [Электронный ресурс] //"Инженерный вестник Дона" 2012 г. — № 3- Режим доступаhttp://www.ivdon.ru/magazine/issue/104?page=4 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 7. Niku-Lari A. Structural analysis system, (Sofware — Hardware, Capability — Compability — Aplications). [Текст] // Per-gamon Press,, 1986 — vol. 1−3
• 8. James R. Rice. Some studies of crack dynamics, (Proceedings of NATO dvanced Study Institute on Physical Aspects of Fracture, 5−17 June 2000, Cargиse, Corsica) [Текст] // Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, — 2001.
• 9. Коргин, А. В. Геодезический мониторинг и мкэ-анализ напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки [Электронный ресурс]// Предотвращение аварий зданий и сооружений — 2013 — Режим доступа: http://www.pamag.ru (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.
• 10. Хо Чантха. Расчетно-экспериментальный метод оценки состояния зданий и сооружений с учетом осадки основания [Текст] // Известия высших учебных заведений «Северо — Кавказский регион». Ростов. 2012. — № 3.