Заказать звонок

+7 (499) 350-23-58  +7 (495) 249-26-57

 

НПКБ "СТРОЙПРОЕКТ"
Пн-Сб 9:00-21:00
Наш адрес: 129337 г. Москва,
Ярославское шоссе, 26Б стр. 3
Написать нам

Сопротивление свай

Расчет и анализ сопротивления свай воздействию нагрузок до сих пор является актуальной задачей современной геотехнической науки. Сегодня существует большое множество всевозможных аналитических, эмпирических и численных методик по расчету свайных фундаментов. Однако уровень их достоверности является предметом повышенного интереса в научной и проектной среде. Целью исследования данной работы является сравнение различных расчетных методик по оценке несущей способности сваи на горизонтальное воздействие и сопоставление этих расчетов с данными полевых испытаний. 

Неизбежно на протяжении всей истории практики строительства возникала необходимость возведения или усиления фундаментов зданий. В этом аспекте широкое применение находили фундаменты глубокого заложения, в том числе свайные фундаменты. Одним из частных случаев устройства такого фундамента является проектирование свайной системы, воспринимающей горизонтальные воздействия.

Ранние методы расчета свай на горизонтальное воздействие на рубеже XIX-XX вв. и позднее, выполнялись как для шпунтового ограждения в предположении абсолютно жесткого стержня, который поворачивался под воздействием горизонтальной нагрузки, при этом происходил сдвиг грунта в верхней зоне. Сопротивление грунта рассчитывалось по классической теории предельного напряженного состояния грунта. Сегодня такие методы как правило не применяются, так как многочисленными экспериментами была доказана их несостоятельность.

В дальнейшем работу сваи в грунте предложили рассчитывать как балку на упругом основании в соответствии с гипотезой Фусса-Винклера. В основе метода лежит дифференциальное уравнение изогнутой оси стержня.

В силу упрощения аналитических расчетов (даже по сравнению с методами базирующиеся на теории общих упругих деформаций), и приемлемого уровня достоверности результатов (при удачном подборе коэффициента постели) данная методика получила широкое распространение. На ее основе были предложены различные модификации, в основном сводящиеся к различному учету изменения коэффициента постели по глубине. Этот метод до сих пор является основным в российской практике проектирования и регламентируется действующим Сводом Правил 22.13330.

Однако, методика расчета свай на горизонтальную нагрузку на основе теории местных упругих деформаций имеет целый ряд существенных недостатков, в основном вытекающих из ее предпосылок, к некоторым из них относятся:

  • данная методика не учитывает деформации точек грунтовой среды, расположенных в непосредственной близости от области воздействия нагрузки, не лежащих в одной плоскости;
  • значения коэффициентов постели не удается получить экспериментальными способами для каждой площадки строительства[9], поэтому эти значения принимаются по обобщенным табличным данным, что мягко говоря, ошибочно, так как табличные значения не могут отражать широкого спектра физико-механических характеристик грунтов и различных механизмов взаимодействия сваи с грунтовой средой при широком диапазоне технологических, геометрических, силовых и прочих факторов;
  • различные эмпирические доработки, моделирующие квазинелинейное изменение коэффициента постели по глубине, имеют искусственный характер и не находят экспериментальных подтверждений;
  • методика не учитывает целый спектр краевых условий, влияющих на истинный нелинейный характер изменения деформаций и напряжений грунтовой анизотропной среды.

Такой, достаточно скудный, математический аппарат данной методики предопределяет тщетность многочисленных попыток доработать эту методику, посредством введения различных корректирующих эмпирических коэффициентов, до приемлемого и широкого уровня ее использования.

Изложенные обстоятельства обуславливают необходимость дальнейшей разработки достоверных аналитических выражений, основанных на математической модели взаимодействия свайной системы с окружающим грунтовым массивом. Очевидно, что для этого, прежде всего, необходимо уточнить расчетную свойств массива. Для этого в качестве таких моделей поведения грунта могут применяться модели получившие достаточно широкое применение разработанные при использовании модель грунтовой среды которая бы отражала истинный характер зависимости механических от физических характеристик грунта при различных воздействиях, с учетом пластических и реологических аппарата континуальной механики и реализованные в программных комплексах базирующиеся в том числе, на методах конечных элементов. При этом перспективным направлением (хотя, возможно и не ближайшего будущего) представляются методики аппарата механики дискретных сред при микроструктурном подходе.

О факторах влияния на механизм взаимодействия сваи c грунтом

Механизм взаимодействия сваи и окружающего грунта, является комплексным и сложным процессом который зависит от многих факторов:

  • природные факторы - истории образования грунтовых массивов (которая, в частности, определяет степень недоуплотненности или переуплотненности, слагающих их грунтов), их текущего и прогнозного состояния (в том числе напряженно-деформированного). Сложности напластования инженерно-геологических элементов территории. Строения и состава окружающих грунтов их физических и механических свойств;
  • типа свай, их физических и геометрических параметров;
  • глубины погружения сваи;
  • технологии погружения;
  • конфигурации нагрузок и воздействий, действующих на сваю;
  • процессов, изменяющихся во времени и др.

Не малую роль в механизме взаимодействия свай с грунтом выполняет тип свай и технология их устройства. В 1969 году, в Великобритании проводились научно-экспериментальные работы, направленные на изучение взаимодействия свайных фундаментов с грунтами. Для эксперимента использовались забивные сваи из стальных труб Ø168 мм, длиной 5.6м, погруженные в глинистые грунты твердых консистенций. Серию испытаний проводили в течение года после забивки. Результаты исследований показали, что при погружении свай вдавливанием и забивкой, в устье скважины – в области верхней части сваи, формировался технологический зазор глубиной до 8 диаметров сваи. При этом, в процессе наблюдения за грунтом в области технологического зазора в течение одного года было установлено, что зазор не был закрыт в процессе реологического восстановления грунта. По данным измерений сила сцепления (адгезии) грунта со сваей была незначительной на глубине от 8 до 14 диаметров сваи, а при больших глубинах (>16d) была зафиксирована максимальная адгезия грунта, превышавшая сдвиговую прочность недренированного грунта до 20%. Поэтому очевидно, что при подобных обстоятельствах, при приложении горизонтальной нагрузки на поверхности грунта, сопротивление нагрузке будет определяться преимущественно материалом самой сваи.

 

 

По результатам анализа экспериментов было установлено, что несущая способность свай на горизонтальную нагрузку при прочих равных, также зависит от: уровня переуплотнения грунта (OCR) и жесткости (гибкости) ствола сваи.

Уровень переуплотнения грунта (OCR) в данном случае выступает как количественная характеристика, отражающая генетические условия образования и возраст дисперсных грунтов. Данная характеристика непосредственно влияет на эффективное горизонтальное напряжение в массиве грунта, а значит и на уровень горизонтальных напряжений, действующих на ствол сваи, выраженных через коэффициент бокового давления покоя Ko.

О влиянии природных (инженерно-геологических) факторов говорит и то обстоятельство, что, например, деформации грунта для случаев испытания свай в песчаных и глинистых грунтах неодинаковы. Так, в песках при перемещении сваи грунт оседает со стороны ее задней грани и смещается вперед и в разные направления со стороны передней грани. В связных грунтах грунт уплотняется под нагрузкой, а в предельном состоянии сваей прорезается полость при одновременном сохранении вертикальной стенки со стороны задней грани.

Не малую роль имеет конфигурация нагрузок и воздействий, действующих на сваю. Понятно, что на перемещение сваи под нагрузкой будет влиять и направление действия нагрузки по отношению к главным осям свайного элемента, и повторяемость этой нагрузки, и соотношение различных по форме воздействий, и интенсивность воздействия, и другие факторы. Так интенсивность нагрузки действует на характер сопротивления сваи, когда при разных значениях нагрузки изменяется доля сил трения на поверхности сваи, которая по данным некоторых опытов составляла до 36% от общего сопротивления сваи в грунте.

Сравнительная оценка методов расчета несущей способности свай на горизонтальную нагрузку

Высокая трудоемкость ручных расчетов при использовании нелинейных математических моделей поведения грунтовой среды в прошлом предопределило развитие эмпирических упрощенных методик расчета свайных фундаментов. Сегодня при высоком уровне развития цифровой индустрии и повсеместном использовании численных расчетов в решении инженерных задач имеется возможность использовать и развивать сложные математические модели механики сплошной и дискретной среды. Современный уровень вычислительных мощностей позволяет полностью отказаться от использования упрощенных и малодостоверных эмпирических методик, базирующихся на гипотезе Фусса-Винклера или применять их сугубо для оценочных расчетов в первом приближении.

Компьютерный анализ геотехнических задач позволяет учитывать различные факторы, влияющие на конечный результат в автоматическом режиме, при малых временных затратах. Эти расчеты не требует учета огромного количества эмпирических коэффициентов, регламентируемых действующей нормативной документацией в строительстве. Достоверность результатов численных расчетов ни в какой мере не зависит от классификации свай по критерию жесткости или длины погружения и прочего. Численные расчеты позволяет учитывать различные комбинации факторов влияния: конфигурации системы воздействия на сваю, физическую и геометрическую нелинейность надземных конструкций, фундаментов и оснований, в том числе с учетом реологических процессов и пр.

Современные конечно-элементные комплексы (Plaxis, Midas, RS3 и пр.), позволяют использовать параметрические модели свай которые имеют определенные пользовательские преимущества: снижение времени и трудоемкости моделирования на препроцессоре, упрощенное геометрическое моделирование, более высокая вероятность  успешной сходимости задачи, широкий спектр возможностей на постпроцессорном этапе, включая получение данных  не только о напряженно-деформированном состоянии элементов, а также данных о значениях и распределениях внутренних усилий и пр. Здесь существенным видится и то, что в качестве исходных данных можно задавать параметры несущей способности свай по боковой поверхности (fi), или по основанию (Ri), определенные по действующей методике Свод Правил  24.13330.2011. Перечисленные преимущества дают широкие возможности при решении инженерных задач, однако у медали есть и обратная сторона. Параметрическое моделирование свайных фундаментов строится на упрощенной математической функции поведения элемента, при этом происходит замещение объемного твердотельного элемента на одномерный элемент. Т.е. распределение усилий, расчет напряжений и деформаций происходит в приближенном виде. При этом, вначале, происходит расчет, по заданным параметрам по функции поведения параметрического элемента, заданной (скрытой) разработчиком ПО (как правило линейной), и только потом, отдельно, решается его взаимодействие с конечными элементами окружающей сетки моделирующей грунтовый массив. Такая двойная схема – расчетная схема сваи в расчетной модели грунтов – приводит к последовательному формированию и расчету двух матриц жесткости, (при этом, как правило, используются разные показатели жесткости: жесткость, определенная по СП или в эксперименте и жесткость прилегающего грунта). Многочисленными расчетами доказано, что такая расчетная схема существенно искажает результат.

Таким образом, при использовании численных методик хороший уровень достоверности расчетов свай может быть достигнут только при использовании объемных твердотельных конечных элементов (solids) высокого уровня (16, 32 и более узлов) при формулировании задачи в пространственной постановке с учетом математических моделей поведения грунтов. При этом дополнительное моделирование взаимодействия ствола сваи с прилегающем грунтом «эффект трения», например посредством введения интерфейсных элементов, повышает достоверность результата.

Результат анализа свай на горизонтальное воздействие

По результатам данного исследования можно сделать следующие выводы:

  1. Действительный механизм взаимодействия сваи с грунтом зависит от множества факторов. Существующие методики расчета свайных фундаментов учитывают только те или другие краевые условия, что приводит к различным оценкам сопротивления свай под нагрузкой. Достоверность расчетных методик зависит как от типов используемых свай, так и от инженерно-геологических условий. Сегодня до сих пор не существует универсальной методики расчета свайных фундаментов которая бы учитывала сложный механизм взаимодействия свай с различными грунтовыми средами при широком спектре нагрузок или воздействий;
  2. При использовании численных методов в оценке несущей способности свайных фундаментов и перемещений возможно получение результатов с высокой степенью приближения к данным полевых экспериментов. Однако, уровень достоверности численных расчетов существенно зависит от применяемой модели грунта;
  3. Возможность получения высокого уровня достоверности численных расчетов для данного типа задач, говорит о целесообразности применения данного подхода. При этом, выбор расчетной модели должен производится с учетом ее математической формулировки механизма взаимодействия сваи с окружающим грунтом, принимая во внимание инженерно-геологические условия площадки, информационную обеспеченность в виде исходных данных, конструктивные условия, требования к решаемой задаче и пр.

 


Результаты исследования показали, что достоверность численных расчетов, для анализа сопротивления свай горизонтальному воздействию, говорит о целесообразности применения данной методики для решения практических задач геотехники. При использовании данных методик приоритетным является использование продвинутых, более совершенных, нелинейных моделей поведения грунтов (HS, CamClay и других).