Численное моделирование статического испытания грунтов сваями А.Ж.Жусупбеков
д.т.н., профессор, зав.каф. «ПЗиС», Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева
e-mail: [email protected] Е.Б.Утепов
магистр, преподаватель кафедры «ПЗиС», Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева
e-mail: [email protected] Ж.Х.Киматов
Архитектура и строительство: состояние и перспективы развития: материалы республиканской научно-практической конференции / ЕНУ им. Л.Н.Гумилева,
Астана, 2012
Аннотация: В статье представлены результаты инженерно-геологических изысканий строительной площадки «Торгово-развлекательный комплекс
«Керуен» в г. Астана. В программном комплексе Plaxis 3D разработана модель статического испытания грунтов сваями. Сделан расчет несущей способности сваи. Согласно результатам испытаний построены соответствующие кривые зависимости «осадки-нагрузки» и «осадки- времени».
Ключевые слова: Статические испытания, свая, несущая способность, осадка, численное моделирование
Введение: В настоящее время с ростом населения столицы Казахстана, города Астаны все больше делается акцент на жилье. Строятся новые жилые комплексы, один выше другого. В условиях неблагоприятных грунтов [1] для возведения этих высотных строений в практике строительства Астаны часто используются свайные фундаменты.
Свайные фундаменты [2] разрабатываются на основе инженерно- геологических изысканий (ИГИ) участка и без них не допускается. Результаты инженерных изысканий должны включать в себя данные, необходимые для выбора типа фундамента, в том числе свайных фундаментов, для определения типа и размера сваи. Также в ИГИ должны быть предоставлены детали полевых и лабораторных испытаний грунтов и, в случае необходимости, должны включать в себя результаты испытаний свай.
Проектные организации при проектировании и подготовке проектной документации, связанных со свайными фундаментами, рассчитывают несущую способность свай на основе инженерно-геологических изысканий.
Чтобы получить фактическое значение несущей способности свай, до массовой забивки свай, проектом предусматривается так называемый тест сваи, после получения результатов теста проектировщик принимает решение подтвердить длину свай и количество их в проекте или вносит изменения в проект свайного поля, изменяя длину или расположение свай.
Полевые испытания грунтов сваями проводятся для контроля соответствия их несущей способности с расчетными нагрузками, принятые в проекте свайного фундамента.
Определение несущей способности свай - это важный шаг в процессе строительства зданий.
Несущая способность свай или способность свай к восприятию внешних нагрузок может быть определена с помощью следующих методов:
испытаниями статической нагрузкой грунтов сваями, динамические испытания и испытания грунтов [4].
В данной статье рассмотрено именно испытание грунтов сваями статическими вдавливающими нагрузками. За основу взяты висячие забивные сваи.
Суть статического испытания – "нагрузить" забитую сваю сверху и проследить за ее осадкой при ступенчатом увеличении нагрузки.
Статические испытания грунтов сваями в полевых условиях – это проверенный временем метод определения несущей способности свай и наблюдения за поведением грунтов, но это довольно сложная процедура, которая несет в себе определенные затраты на оборудование и инструменты для проведения этих испытаний, и определенное время.
Предлагается альтернативный вариант анализа грунтов с использованием компьютерных технологий, так называемого численного моделирования [3].
Использование численных методов в геотехнике в настоящее время становится все более популярным. Одним из программных комплексов, реализующих численные методы, является «Plaxis 3D». Возможность воссоздания компьютерной модели сооружения, а также различных геотехнических ситуациях вполне осуществимо в этой программе.
В данной статье представлены результаты моделирования статического испытания грунтов сваями численным методом.
1. Данные инженерно-геологических изысканий
Полевые испытания грунтов проводились на строительной площадке Торгово-развлекательного комплекса «Керуен».
Результаты физико-механических характеристик грунтов основания строительной площадки показаны в Таблице 1.
Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов
Описание грунтов
h, м E, кН/м2
c,
кН/м2 ϕ, ° ρ, г/см3
R0, MПа
K, м/сут
1 2 3 4 5 6 7
Суглинки 4,2 5000 9 11 2,04 - 0,24
Пески 2,6 22000 - 31 1,94 - 6,4
Пески
гравелистые 2,8 30000 - 36 2,0 - 15,8
Суглинки 6,2 13000 38 32 2,01 - 0,16
2. Данные для численного моделирования
Статические испытания грунтов сваями в программном комплексе Plaxis 3D были реализованы согласно схеме реальных полевых испытаний, показанной на Рисунке 1.
1 – испытываемая свая; 2 – анкерная свая; 3 – главная балка; 4 – второстепенная балка;
5 – анкерные тяжи; 6 – домкрат СМЖ-158A; 7 – реперная система; 8 – прогибомер 6ПAO; 9 – насосная станция СНСР-400 с манометром MTП-160
Рис. 1. Схема испытания
Испытания грунтов сваями статическими нагрузками в Plaxis 3D проводились в следующей последовательности:
− выдерживался «отдых» сваи в течение 7-10 суток с момента окончания забивки сваи;
− нагружение сваи производилось вертикально-вдавливающей ступенчато-возрастающей нагрузкой до 950 кН;
− величина каждой ступени нагрузки принималась равной 100 кН;
− регистрация осадок сваи производилось в следующей последовательности: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, затем последовательно четыре отсчета через каждые 15 минут наблюдения, два отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждые 60 минут до условной стабилизации деформации.
3. Численное моделирование испытания
В процессе моделирования испытания учитывалось то, что в испытании в полевых условиях, согласно Рисунку 1, при нагружении домкрат одним концом давит на испытываемую сваю, а другим концом на главную балку, которая распределяет нагрузку на 4 анкерные сваи. Соответственно, нагрузка, передаваемая каждой из анкерных свай, будет равна 1/4 нагрузки, передаваемой испытываемой свае, и будет иметь отрицательное направление. То есть, если испытываемая свая будет работать на вдавливающиеся усилия, то анкерные будут работать на выдергивающие.
Максимальная нагрузка, передаваемая на испытываемую сваю, равна F=950 кН. Соответственно, максимальная нагрузка, передаваемая на анкерные сваи, будет равна F/4=237,5 кН.
Модель испытания представлена на Рисунке 2.
a) б)
Рис. 2. Численная модель статического испытания грунтов сваями
а) общий вид; б) увеличенный вид
В процессе испытания грунтов сваями статическими нагрузками модель претерпела некоторые изменения, в частности, грунты, контактирующие с поверхностью сваи, подверглись деформациям.
Поведение грунтов и появившиеся деформации можно наблюдать на Рисунке 3.
4. Результаты численного моделирования
Результаты несущей способности свай, полученных численным моделированием статического испытания, показаны в Таблице 2. Согласно результатам испытаний были получены кривые «осадки-нагрузки» и «осадки- времени», которые показаны на Рисунке 4а и 4б соответственно.
a) б)
в)
а) общие деформации, вид сверху;
б) общие деформации, разрез;
в) затенение, разрез
Рис. 3. Поведение грунтов и возникшие деформации
Таблица 2. Результаты несущей способности
Свая №10 S max
(мм) Pu (kN) h (m)
глубина
С12-30 7,63 950 11,5
Рис. 4а. Кривая «осадка- нагрузка»
Рис. 4б. Кривая «осадка- время»
5. Заключение
1. Для определения несущей способности и численного анализа статических испытаний грунтов сваями была изготовлена компьютерная модель в программном комплексе Plaxis 3D.
2. Испытания показали, что численный метод анализа является хорошей альтернативой для стандартных испытаний грунтов сваями статической нагрузкой и, несомненно, является актуальной в современных тенденциях компьютеризации.
3. Полученные численным моделированием результаты рекомендуется использовать как материал для дальнейшего анализа различных геотехнических ситуаций, возникающих в процессе строительства и исследовании проблем геотехники.
Список использованной литературы:
1. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация;
2. СНиП РК 5.01-03-2002. Свайные фундаменты;
3. Бахвалов Н.Е. Численные методы. Москва 2002 г. 576 стр.;
4. ГОСТ 5686-94 Грунты. Методы полевых испытаний сваями;
