close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания

код для вставкиСкачать
Вестник ТГАСУ № 1, 2013
253
УДК 624.159.5
ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
[email protected]
Кубанский государственный аграрный университет,
350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент,
[email protected]
ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант,
[email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТОВ
С ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ
В статье обосновывается возможность применения ПК PLAXIS 3D Foundation для
моделирования напряженно-деформированного состояния грунтов в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных).
Ключевые слова: моделирование; натурные эксперименты; фундамент мелкого заложения; железобетонная свая; напряженно-деформированное состояние грунтов основания.
POLISCHUK, ANATOLY IVANOVICH, Prof. Dr.Tech. Sc.,
[email protected]
Kuban State Agrarian University,
13 Kalinina st., Krasnodar, 350044, Russia
SAMARIN, DMITRY GENNADJEVICH, Ph.D., Assoc.Prof.,
[email protected]
FILIPPOVICH, ANNA ALEKSANDROVNA, P.G.,
\[email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
RESULTS OF MODELLING PROCESSES
OF INTERACTION OF FOUNDATIONS
WITH CLAY SOIL
The possibility of using the personal computer PLAXIS 3D Foundation for modeling the
stress-strain state of soil at the base of foundations (shallow and pile foundation) is proved in
the article.
Key words: modeling; natural experiments; shallow foundation; reinforced concrete pile; the stress-strain state of the soil foundation.
 А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович, 2013
254
А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович
Для совершенствования методов расчета фундаментов зданий (в том
числе при их реконструкции) большое значение имеют натурные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния грунтов
и сопоставление полученных результатов с данными моделирования. В последние годы в России находят все большее применение программные продукты PLAXIS, MIDAS GTS, FEM models, ABAQUS, ANSIS и др., которые
используются в проектной практике. Однако недостаточное количество информации о выполненных натурных исследованиях взаимодействия фундаментов и грунтов оснований не всегда позволяет дать должную оценку полученным результатам.
Основная задача при подготовке статьи заключалась в оценке возможности использования программного комплекса PLAXIS 3D Foundation [1] для
моделирования напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов
в основании фундаментов (мелкого заложения и свайных). Задача решалась на
основании сопоставления результатов натурных экспериментов [2, 3] с данными расчета.
При проведении моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D
Foundation были использованы исходные данные, соответствующие реальным
условиям натурных экспериментов. Это физико-механические характеристики глинистых грунтов основания, значения нагрузок и последовательность их
приложения, геометрические параметры фундаментов и др. Для моделирования глинистых грунтов в основании фундаментов использовалась упругопластическая модель Кулона – Мора, которая требовала введения пяти основных
параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона υ, удельного сцепления C, угла внутреннего трения φ и угла дилатансии ψ. Для моделирования работы материалов фундамента – штампа и сваи – применялась
линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками. Расчет
производился в три стадии: 1 – начальная стадия: учет гравитационной
нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2 – стадия расчета конструкций; 3 – приложение заданной величины
и характера нагрузки, выбор необходимых точек для определения в них давлений и перемещений.
Результаты натурных экспериментов напряженно-деформированного
состояния глинистых грунтов в основании фундаментов принимались по работам А.И. Полищука (для фундаментов-штампов мелкого заложения) [2]
и С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова (для свай) [3].
В работе А.И. Полищука [2] приведены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений (вертикальных, горизонтальных) в основании жестких круглых фундаментов-штампов площадью
10 000 см2 на однородных лессовых суглинках природной влажности (маловлажных, г. Георгиевск) и предварительно увлажненных (влажных, г. Георгиевск). Глубина заложения фундаментов-штампов составляла 0,4 м от поверхности земли. Полученные результаты рассматривались для стабилизированного состояния оснований. Просадочные деформации лессовых грунтов
и изменение напряженного состояния оснований во времени в данной работе
не рассматривались.
Результаты моделирования процессов
255
Напряжения в грунте измерялись тензометрическими месдозами (датчиками) с гидравлическим преобразователем [4]. Анализ работы данных датчиков показал, что они обладают высокой чувствительностью, линейностью
градуировочных графиков и по своим технико-метрологическим параметрам
не уступают лучшим отечественным и зарубежным образцам. При измерении
контактных давлений был использован метод установки фундаментовштампов на слой жесткого цементно-песчаного раствора. При измерении
напряжений в основании была использована методика вдавливания датчиков
в основание из шурфа, отрытого рядом с местом установки фундаментовштампов. Используемая методика обеспечивала неразрывный контакт вдавливаемых месдоз и марок с грунтом основания.
Грунты основания (лессовые суглинки природной влажности) имели
следующие физико-механические характеристики: естественная влажность
W = 13,8 %; плотность грунта ρ = 1,7 г/см3; плотность частиц грунта
ρs = 2,71 г/см3; плотность скелета грунта ρd = 1,50 г/см3; коэффициент пористости е = 0,79; коэффициент водонасыщения Sr = 0,47–0,5; число пластичности Ip = 13,5 %; показатель текучести JL = 0–0,18; угол внутреннего трения
φ = 24º; удельное сцепление С = 25 кПа; штамповый модуль деформации
Е = 9,7 МПа.
В экспериментальных исследованиях на глинистых грунтах природной
влажности (маловлажных) были получены результаты распределения контактных давлений, напряжений и перемещений в основании фундаментовштампов, которые сопоставлялись с данными расчета (рис. 1 и 2).
Сопоставление показало, что для глинистых грунтов природной влажности (маловлажных) при давлении до 200 кПа, которое не превышает расчетного сопротивления R грунтов основания [5], контактные давления, вертикальные напряжения и перемещения в основании жестких фундаментовштампов можно моделировать с достаточной для инженерных расчетов точностью (10–30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона – Мора.
В работе С.В. Ющубе, Н.С. Рязанова [3] приведены результаты распределения вертикальных напряжений в глинистом грунте (супесь пластичная) в околосвайном пространстве. В опытах использовались железобетонные призматические сваи сечением 30×30 см и длиной 3 м. Нагружение
свай осуществлялось с помощью специальной установки. Пригрузочные
платформы установки находились на расстоянии 3 м от испытуемой сваи.
Это делалось для того, чтобы исключить влияние внешнего давления от
установки на напряженное состояние грунта вокруг сваи. Для измерения
вертикальных напряжений в грунте вокруг сваи были использованы месдозы
(датчики) с гидравлическим преобразователем [4]. В грунте бурились горизонтальные скважины (из шурфа) на заданном расстоянии друг от друга. Затем при помощи специального приспособления месдозы вдавливались через
скважины в грунт естественного сложения (ненарушенной структуры).
Скважины далее тампонировались грунтом (песок мелкий) и снимались
начальные отсчеты.
256
А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович
D = 1 120 мм
P, кПа
0
2
P = 20 кПа
1
40
60
80
2
1
100
P = 100 кПа
120
140
160
2
180
1
200
P = 200 кПа
220
240
260
280
300
320
P, кПа
Рис. 1. Результаты распределения контактных давлений по подошве жестких фундаментов-штампов на лессовых суглинках природной влажности:
1 – результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 – результаты
расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
257
Результаты моделирования процессов
Опытная площадка для исследования напряженного состояния грунта
вокруг сваи была расположена в г. Ачинске и до глубины 6 м от поверхности
сложена однородной супесью пластичной со следующими физикомеханическими характеристиками: плотность грунта ρ = 1,65 г/см3; плотность
частиц грунта ρs = 2,70 г/см3; число пластичности Jp = 7 %; показатель текучести IL = 0,6; угол внутреннего трения φ = 18–20°; удельное сцепление
С = 20 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа. Нагрузка на сваю составляла
Р = 110 кН.
0,5D – 560 мм
P = 220, кПа
2
1
2
1
1
2
2
1
Рис. 2. Результаты распределения вертикальных перемещений в лессовых суглинках
природной влажности:
1 – результаты натурных опытов (данные А.И. Полищука [2]); 2 – результаты
расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
В экспериментах были получены результаты распределения вертикальных напряжений в основании ниже острия сваи, которые были сопоставлены
с данными моделирования по ПК PLAXIS 3D Foundation (рис. 3). Сопоставление показало, что для глинистых грунтов (супесь пластичная) при нагрузке на
сваю до 110 кН, значение которой меньше предельной, вертикальные напряжения в основании ниже острия сваи можно также моделировать с достаточной точностью (10–30 %), используя ПК PLAXIS 3D Foundation с упругопластической моделью грунта Кулона – Мора.
258
А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович
P = 110 кН
–3,000
0,18 МПа
1
2
0,13 МПа
–3,400
0,12 МПа
2
–3,600
–3,800
–4,000
1
1
2
1
0,1 МПа
0,05 МПа
0,03 МПа
1
0,04 МПа
0,02 МПа
z, м
Рис. 3. Результаты распределения вертикальных напряжений ниже острия сваи:
1 – результаты натурных опытов (данные С.В. Ющубе и др.) [3]; 2 – результаты
расчета (ПК PLAXIS 3D Foundation)
Таким образом, анализ представленных результатов натурных опытов
и результатов расчета показывает возможность использования ПК PLAXIS 3D
Foundation для моделирования процессов взаимодействия фундаментов мелкого заложения и свайных с грунтом основания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 7. – Санкт-Петербург : НИП-Информатика, 2004. – 274 с.
2. Полищук, А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых
зданий / А.И. Полищук. – 3-е изд., доп. – Нортхэмптон : STT; Томск: STT, 2007. – 476 с.
3. Ющубе, С.В. Результаты полевых исследований напряженного состояния грунта вокруг
забивных коротких свай / С.В. Ющубе, Н.С. Рязанов // Исследования по строительным
конструкциям и фундаментам. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 1980. − С. 118–122.
4. Баранов, Д.С. Тензометрическая месдоза ЦНИИСК с гидравлическим преобразователем,
совершенствование ее конструкции и технологии изготовления / Д.С. Баранов // Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций. – М. : Стройиздат,
1971. – С. 4–20.
Результаты моделирования процессов
259
СНиП 2.02.01–83*. Основания зданий и сооружений. – Москва, 1995. – 40 с.
REFERENCES
1. PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Rukovodstvo pol'zovatelja. Versija
7. – Sankt-Peterburg : NIP-Informatika, 2004. – 274 p.
2. Polishhuk A.I. Osnovy proektirovanija i ustrojstva fundamentovrekonstruiruemyh zdanij [Principles of design and installation of foundations of reconstructed buildings.]. – 3-e izd., dop. –
Northjempton : STT; Tomsk : STT, 2007. – 476 p.
3. Jushhube S.V., Rjazanov N.S. Rezul'taty polevyh issledovanij naprjazhennogo sostojanija
grunta vokrug zabivnyh korotkih svaj [The results of field studies of stress state of soil around
the short precast piles] // Issledovanija po stroitel'nym konstrukcijam i fundamentam. –
Tomsk : Izd-vo Tom. un-ta [TGU Publ.], 1980. − P. 118–122.
4. Baranov D.S. Tenzometricheskaja mesdoza CNIISK s gidravlicheskim preobrazovatelem,
sovershenstvovanie ee konstrukcii i tehnologii izgotovlenija [Tensometric load cells CNIISK
with hydraulic converter, improving its design and production technology] // Tenzometricheskie pribory dlja issledovanija stroitel'nyh konstrukcij [Strain gauge instruments for inspection
of building structures]. – Moscow : Strojizdat, 1971. – P. 4–20.
5. SNiP 2.02.01–83* [Construction norms and rules 2.02.01-83] Osnovanija zdanij i sooruzhenij
[Foundations of buildings and structures]. – Moscow, 1995. – 40 p.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа