Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

бованиям технических регламентов, проектной документации и условиям инвестиционного договора.

Техническое задание заказчика включало работы по детальному визуальному и инструментальному обследованию ответственных конструкций берегоукрепления (анкерной и лицевой стенки, включая ее подводную часть), пазухи и примыкающей части намытой территории, которые проводились компанией SGS Vostok LTD с привлечением субподрядчиков. Компания SGS Vostok LTD по заказу владельца объекта проводила мониторинг строительства в 2009–2011 гг. Во время мониторинга были выявлены недостатки разработанного проекта сооружения, характерные как для сооружений такого типа (больверков), так и для данного конкретного объекта, а также грубые многочисленные нарушения производства работ по возведению объекта, в том числе и по образованию территории намывом (намытый грунт не уплотнялся) и засыпке пазухи (песок до отм. +0.7 м отсыпался в воду без уплотнения, катком уплотнялся только верхний слой до +3.0 м). Проведенные в сент. 2012 г ЗАО Геостатика испытания состояния грунтов образованной территории методом статического зондирования выявили значительную повсеместную неоднородность сложения намывных песков по глубине, особенно в пазухе, а именно, наличие значительной толщи (до 3.5 м) песков рыхлого сложения в нижней части разреза, которая перекрыта слоем более плотных намывных песков.

В связи с вышеизложенным, несмотря на то, что Техническое задание не предусматривало численного моделирования, было принято решение о необходимости геотехнического обоснования проекта с привлечением расчетного комплекса PLAXIS 3DF.

Расчеты по программе PLAXIS 3DF производились для произвольно выбранного участка конструкции вертикального берегоукрепления (28 пог. м вдоль кордона), находящегося вблизи скважины № 9, пробуренной в пазухе вблизи кордона (Инженерно-геологические изыскания проводились ООО

Петробурсервис в окт. 2012 г.). Согласно данным изысканий, в основании больверка залегают пески крупные неоднородные плотные (естественное дно акватории зафиксировано на отм. –4.7 м), грунты пазухи представлены песками средней крупности, находящимися в состоянии (снизу вверх) – средней плотности (толщина слоя 1.0 м), рыхлом (толщина слоя 2.1 м), средней плотности (толщина слоя 3.5 м).

311

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 1. Расчетная схема (трехмерная геомеханическая модель)

Рис. 2. Моделирование конструкций вертикального берегоукрепления в Plaxis 3DF

312

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Таблица 1

Физико-механические характеристики намытых грунтов и грунтов основания (по данным ООО Петробурсервис:

Схема расчетных эксплуатационных нагрузок категории “0” принималась в соответствии с требованиями РД 31.3.05-97 “Нормы технологического проектирования морских портов”, а именно:

в зоне вдоль кордона шириной 3,0 м – 0,2 кг/см2;

в прикордонной зоне шириной 14,5 м – 0,4 кг/см2;

в переходной зоне шириной 6,0 м – 1,2 кг/см2;

в тыловой зоне – 2, 0 кг/см2.

Прикордонная зона также рассчитывалась на нагрузки при работе мо-

бильного крана LIEBHERR LHM 400.

При расчетах моделировалась поэтапность возведения сооружения

иприложения нагрузок. Расчеты были произведены для следующих 3-х этапов:

–напряженно-деформированное состояние анкерной стенки после окончания намыва грунта до проектной отметки +3.0м (I Этап);

–напряженно-деформированное состояние конструкции вертикального берегоукрепления после окончания возведения лицевой стенки больверка по системе «труба-шпунт», установки анкерных тяг с заданным усилием натяжения и засыпки пазухи (II Этап);

313

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

– напряженно-деформированное состояние конструкции вертикального берегоукрепления после приложения нагрузок категории “0” и нагрузок при работе мобильного крана LIEBHERR LHM 400 (III Этап).

Рис. 3. Изополя горизонтальных перемещений (I Этап)

Рис. 4. Изополя горизонтальных перемещений (II Этап)

314

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 5. Изополя вертикальных перемещений (II Этап)

Рис. 6. Изополя горизонтальных перемещений (III Этап)

Ниже приводятся полученные значения перемещений элементов конструкций и осадок грунта пазухи и площадки, сведенные в табл. 2:

Из таблицы следует, что суммарные перемещения в плане лицевой стенки (0,071 м) не превышают предельно допустимые. Однако суммарные осадки грунта пазухи достигают 0, 33 м вследствие присутствия в разрезе неуплотненного песка.

315

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Результаты расчетов также показали, что максимальные усилия в элементах данного участка конструкции значительно меньше предельно допустимых, что свидетельствует о высокой несущей способности анкерной системы.

Выводы

Численное моделирование позволило определить состояние элементов конструкций вертикального берегоукрепления и грунта в пазухе и за анкерной стенкой. Однако несущая способность конструкции должна быть проверена на негативные воздействия при проведении дноуглубления до отм. –16.0 м вблизи кордона.

УДК 624.151.6

З.Г. Тер-Мартиросян, В.В. Сидоров, П.В. Струнин

(МГСУ, Москва)

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ОСАДОК ДЛИННЫХ СВАЙ И БАРРЕТ С УЧЕТОМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЗОН ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ НА БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Задача определения напряженно-деформированного состояния (НДС) элемента фундамента глубокого заложения (ФГЗ) (свай, баррет) с окружающим грунтом, при учете возникновения зон предельного равновесия на боковой поверхности остается актуальной для многих ученых-геотехников. Однако, решение данной задачи вызывает большие трудности, которые заставляют принимать определенные допущения. Например, принимается допущение о том, что напряжение на уровне пяты сваи равно нулю, что значительно упрощает решение, но применимо только для абсолютно жестких свай в условиях морского строительства [2]. Известно решение, основанное на заранее определенной величине перемещения сваи, при котором возникают предельные касательные напряжения до определенной глубины [3]. Еще одним при-

316

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

мером является допущение, что элемент ФГЗ работает упруго до полного исчерпания несущей способности по всей длине, а после вся нагрузка передается только на основание [4]. Это решение не рассматривает случаи, когда не на всей боковой поверхности сваи или барреты возникает предельное напряженное состояние, к тому же ФГЗ принимается абсолютно жестким, что не всегда имеет место.

С ростом внешней нагрузки в окружающем ФГЗ грунте происходят сдвиговые деформации, вызывающие рост касательных напряжений по его боковой поверхности – mob . При этом касательные напряжения могут разви-

ваться до определенного предельного значения – * , вызывающего переход грунта из упругого состояния в пластическое. При этом дальнейший рост ка-

сательных напряжений сверх * невозможен, поэтому нагрузка будет передаваться только на участки боковой поверхности ФГЗ, где предел прочности еще не достигнут, либо на пяту элемента.

Процесс перераспределения напряжений между боковой поверхностью элемента ФГЗ и его пятой удобно представить в графическом виде (расчетной схемы). Для составления схемы необходимо решить задачу взаимодействия одиночного элемента с окружающим грунтов в упругой постановке [1], а затем привести ее результаты в соответствие с известным законом изменения прочности грунта по глубине массива грунта, в основе которого лежит известный закон Кулона:

* – предельное касательное напряжение, кПа; (z) – боковое напряжение в грунте на определенной глубине z, кПа.

317

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

В зависимости от прилагаемой внешней нагрузки P на элемент ФГЗ характер перераспределения нагрузкок по боковой поверхности и пяте меняется. Авторами предлагаются 3 варианта расчетных схем, представленных на рис.2. Особенности схем в следующем:

1. При низком уровне внешней нагрузки вся боковая поверхность работает в упругом режиме, ни в одной точке не наблюдается достижения пре-

дельного касательного напряжения * . В этом случае не выделяются нагрузки N , T2доп , а сила по боковой поверхности элемента обозначается как Т

(рис. 2, а).

2. При среднем уровне нагрузки на элемент ФГЗ, при условииN Т2доп , вся дополнительная нагрузка воспринимается оставшейся боко-

вой поверхностью сваи и на основание дополнительная нагрузка не передается (рис. 2, б).

3. При высоком уровне нагрузки на элемент ФГЗ, при условииN Т2доп , на всей боковой поверхности сваи возникает предельная несущая

способность и вся дополнительная нагрузка передается на основание. (рис. 2, в). Важным допущением в приведе-

ных расчетных схемах является то, что основание ФГЗ является упругим. Предельное состояние грунта допускается только на боковой поверхности элемента ФГЗ.

В условиях высотного строительства наиболее используемой схемой будет третья, т. е. с высоким уровнем внешней нагрузки на сваю или баррету. Коротко рассмотрим процесс передачи нагрузки по элементу и алгоритм определения ее осадки (в соответствии

срис. 2, в).

1.Определяется осадка S1 от боковых усилий Т1 и Т2. Данная осадка возникает во время возникновения на боко-

вой поверхности касательных напряжений, не выходящих за пределы прочности грунта.

2. Осадка S2, возникает при передаче нагрузки N на нижележащую часть ствола. Ее можно найти, приложив нагрузку N на нижнюю часть барреты длиной l2 и решив упругую задачу в соответствии с [1], учитывая, что во время передачи нагрузки N на нижнюю часть элемента, происходит

318

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

не только увеличение значения от bot до bot/ , но и увеличение давления по пяте элемента ФГЗ от R до R/.

3. Так как "резервная" часть нагрузки T2доп < N , то величина соответ-

ствующая их разнице будет передаваться только на уровень пяты ФГЗ. При этом касательное напряжение по всей боковой поверхности не будет увели-

чиваться, так как оно достигло своего предельного значения * .

Осадку S3 можно определить по формуле для жесткого штампа с учетом его формы и глубины заложения от поверхности [5].

4. Осадка S4 определяется сжатием ствола сваи или барреты, которая

где l – длина сваи или барреты, – разница напряжений на оголовке сваи(баретты) и пяте, Eмат – модуль деформации материала сваи(баретты).

Таким образом, осадку элемента ФГЗ можно определить с помощью суммирования найденных осадок:

На практике для фундаментов высотных зданий, передающих большие нагрузки на основание используют длинные барреты из тяжелого железобетона с высоким процентом армирования. В этом случае модули деформации грунта и материала барреты различаются на три порядка. В свою очередь для усиления оснований менее нагруженных фундаментов, находят применение грунтоцементные свай (ГЦС), выполненные по технологии струйной цементации грунтов [6]. Данные сваи являются примером ФГЗ с жесткостью, сопоставимой с жесткостью грунта.

Приведем расчетную схему и результы решения по предложенному аналитическому методу и численному решению в Plaxis 3D.

В качестве исходных параметров для барреты примем следующие: Размеры поперечного сечения барреты – 1,5 3,0 м, размеры массива грунта – 9 18 м, коэффициент Пуассона грунта грунта = 0.3,

319

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

= 30000 МПа (железобетон); коэффициент влияния глубины нахождения пяты барреты k(l) = 0,675 (зависит от соотношений m = b/h и n = b/a).

Определим значения N и Т2доп: N 1743 кПа, Т2доп 327 кПа. Как видно из сопоставления этих нагрузок N Т2доп на всей боковой поверхно-

сти сваи возникает предельная несущая способность и вся дополнительная нагрузка передается на основание.

Результаты сопоставления аналитического метода с численным решением приведены на рис. 4.

Рис. 4. Сравнение графиков осадок одиночной барреты, взаимодействующей с окружающим грунтом, с учетом образования зон предельного равновесия на ее боковой поверхности

По представленным кривым можно видеть, что величины осадок, полученные по предложенному в этой статье алгоритму и по PLAXIS 3D имеют хорошую сходимость, с максимальным расхождением результатов до 15 % при очень больших нагрузках (для данного поперечного сечения 7000 кПа соответствуют точечной нагрузке 3150 т).

Вприведенном выше примере рассматривалась сжимаемая баррета

вкоторой отношение жесткости баретты к жесткости грунта составляло порядка 1000. В качестве дополнительного сравнения рассмотрим расчет НДС одиночной ГЦС обладающей жесткостью сопоставимой с жесткостью грунта.

Рассмотрим НДС вокруг грунтоцементной сваи.

Расчетные параметры сваи и грунта были приняты следующими: длина

lсваи 10,0 м, модуль деформации Eсваи 3000 МПа, модуль деформации грунта Eгрунта 10 МПа, внешняя нагрузка на сваю P – 1000, 2000, 4000, 6000 кПа,

диаметр свай принимался одинаковым 0,6 м, диаметр массива грунта

320