Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM

Численный анализ работы 1, 2 и 3-рядных свайных фундаментов, горизонтально нагруженных вдоль рядов свай

Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM·13 Dec 2025

Григорьев Ю. С., Фатеев В. В. Численный анализ работы 1, 2 и 3-рядных свайных фундаментов, горизонтально нагруженных вдоль рядов свай // Приволжский научный журнал, 2025, № 3 // УДК 624.154.1

Введение

Известны достаточно многочисленные исследования, в том числе и методом численного моделирования, работы как отдельных свай, так и свайных фундаментов под действием разнообразных нагрузок, однако работа свайных фундаментов горизонтально нагруженных вдоль рядов свай до настоящего времени не изучалась [1, 5–10]. В настоящей работе приведены результаты исследований работы 1, 2 и 3-рядных свайных фундаментов, горизонтально нагруженных вдоль рядов свай, являющихся частью целого комплекса исследований по численному моделированию работы свайных фундаментов, использующихся в качестве основания для зданий и сооружений, воспринимающих горизонтальные нагрузки.

Исходные данные для численного моделирования

В выполненных исследованиях использовались разработанные авторами верифицированные конечно-элементные модели геомеханических систем «свайный фундамент – грунтовое основание», в которых моделировалась совместная работа: 1) грунтового основания из суглинка естественного сложения, представленного в виде упругопластической модели Мора-Кулона, со следующими характеристиками: удельный вес γ=16,8 кН/м3; коэффициент пористости е=0,846; коэффициент Пуассона ν=0,37; сцепление с=20 кПа; угол внутреннего трения φ=22º; модуль деформации Е=8 МПа и 2) свайных фундаментов из жёстко соединённых с высокими ростверками забивных железобетонных свай С70.30 сечением 0,3×0,3 м, длиной 7 м, погруженных в грунтовый массив на глубину 6 м (рис. 1–6 цв. вклейки) [2–4].

Рис. 1. 1-рядная «свайно-грунтовая диафрагма» из 6-ти свай «1/6»

Рис. 2. 2-рядная «свайно-грунтовая диафрагма» из 12-ти свай «2/6» — Рис. 1. 1-рядная «свайно-грунтовая диафрагма» из 6-ти свай «1/6»

Результаты численного моделирования

В результате выполненных исследований было установлено:

1. Горизонтальные нагрузки, передающиеся на фундаменты, действующие вдоль рядов свай, воспринимаются: 1) сваями, объединёнными ростверком в жёсткую железобетонную раму; 2) грунтом, защемлённым между сваями; 3) грунтовым массивом, оказывающим лобовое сопротивление горизонтальному перемещению фундамента, и 4) грунтовым массивом, взаимодействующим с наружными вертикальными («боковыми») поверхностями однорядных «свайно- грунтовых диафрагм» и крайних («боковых») рядов в «группах» свай (рис. 1–3, 7–8 и табл. 1 цв. вклейки).

Рис. 7. Изополя горизонтальных перемещений (по оси X) свай и околосвайного грунта в уровне поверхности грунтового массива при действии горизонтальной нагрузки H, вызывающей горизонтальное перемещение свайных «групп» в уровне поверхности грунтового массива Δг=10 мм

Рис. 8. Схемы напряжённо-деформированного состояния: А – 1-рядная «свайно-грунтовая диафрагма»: Н1 – горизонтальная нагрузка; F1 – сопротивление грунтового массива горизонтальному перемещению по боковым поверхностям «диафрагмы; R1 – лобовое сопротивление грунтового массива. Б – 2-рядная «свайно-грунтовая диафрагма»: Н2 – горизонтальная нагрузка; F1 – сопротивление грунта горизонтальному перемещению по боковым поверхностям «диафрагмы; F2 и F2,в – сопротивление грунта по наружным и внутренним боковым поверхностям «диафрагм»; R2 – лобовое сопротивление грунта. В – 3-рядная «группа» свай: Н3 – горизонтальная нагрузка; F3 и F3,в – сопротивление грунта по наружным и внутренним боковым поверхностям «диафрагм»; R3 – лобовое сопротивление грунта — Рис. 7. Изополя горизонтальных перемещений (по оси X) свай и околосвайного грунта в уровне поверхности грунтового массива при действии горизонтальной нагрузки H, вызывающей горизонтальное перемещение свайных «групп» в уровне поверхности грунтового массива Δг=10 мм

Таблица 1(Цв. вкладки). Нагрузки, передающиеся на сваи в расчётных моделях свайных фундаментов«1/6», «2/6», «3/6»

2. Несущая способность горизонтально нагруженных фундаментов, с увеличением в них количества рядов свай с 1-го до 3-х, увеличивается непропорционально количеству рядов (табл. 1 и рис. 9–12 цв. вклейки):

– однорядная «диафрагма» «1/6» – 376,42 кН;

– группы «2/6» из 2-х рядов свай – 508,99 кН (+35,2%);

– группы «3/6» из 3-х рядов свай – 615,99 кН (+63,6%).

Рис. 9. Зависимость предельного сопротивления фундаментов горизонтальным нагрузкам H от количества свай n в «группе» (расчётные модели «1/6», «2/6», «3/6»)

Рис. 10. Зависимость сопротивления фундаментов горизонтальным нагрузкам H от количества рядов свай nср в «группах» (расчётные модели «1/6», «2/6», и «3/6») — Рис. 9. Зависимость предельного сопротивления фундаментов горизонтальным нагрузкам H от количества свай n в «группе» (расчётные модели «1/6», «2/6», «3/6»)

3. Коэффициент кустового эффекта Kкэ, определяемый по формуле (1), учитывающий взаимное влияние свай при жёсткой заделке их голов в ростверках фундаментов с однорядным расположением свай, больше единицы, однако по мере увеличения количества рядов свай в фундаменте, величина Kкэ снижается до значений меньше единицы (табл. 1).

Kкэ=H/(n·H0) (1)

где: H – сопротивление горизонтально нагруженного фундамента; H0 – сопротивление горизонтальной нагрузке одиночной сваи со свободной головой при предельном горизонтальном перемещении свай в уровне поверхности грунта Δг=10 мм; n– количество свай в фундаменте [5].

Рис. 13. Зависимость средней несущей способности одной сваи Hср от количества свай n в фундаменте: 1 – одиночная свая со свободной головой; 2 – расчётные модели «1/6»,«2/6», «3/6»

Рис. 14. Зависимость средней величины сопротивления горизонтальной нагрузке Hр одного ряда свай в расчётных моделях: «1/6»,«2/6», и «3/6» — Рис. 13. Зависимость средней несущей способности одной сваи Hср от количества свай n в фундаменте: 1 – одиночная свая со свободной головой; 2 – расчётные модели «1/6»,«2/6», «3/6»

4. Последовательное увеличение количества рядов из 6 свай с 1-го до 2-х и 3-х рядов в рассмотренных моделях, приводит к последовательному снижению как среднего сопротивления горизонтальной нагрузке одной сваи, так и к снижению среднего сопротивления одного ряда свай в фундаменте (рис. 13–14 цв. вклейки). Так, увеличение в группе количества рядов, состоящих из 6 свай, с 1-го ряда до 2-х и 3-х рядов приводит:

1) к снижению средней величины сопротивления горизонтальной нагрузке Hср одной сваи, по сравнению с одной сваей в однорядной «диафрагме» «1/6» в которой Hср=62,74 кН (табл. 1, рис. 11 цв. вклейки):

– в группе «2/6» из 2-х рядов свай – до 42,42 кН (-32,4%);

– в группе «3/6» из 3-х рядов свай – до 34,22 кН (-45,5%);

2) к снижению удельной величины сопротивления горизонтальной нагрузке Hр одного ряда свай, по сравнению с однорядной «диафрагмой» «1/6» в которой Hр=376,42 кН (табл. 1, рис. 12 цв. вклейки):

– в группе «2/6» из 2-х рядов свай – до 254,50 кН (-32,4%);

– в группе «3/6» из 3-х рядов свай – до 205,33 кН (-45,5%).

5. Сравнение результатов выполненных исследований показывает (табл. 1 и табл. 1 цв. вклейки), что горизонтальная нагрузка, передающаяся на свайные фундаменты, воспринимается ими в весьма значительной степени за счёт сопротивления грунтового массива, взаимодействующего с наружными поверхностями: 1) в однорядной «свайно-грунтовой диафрагме» и 2) крайних («боковых») рядов в «группах» свай. В этих условиях свайные фундаменты, опирающиеся на «группы» свай с горизонтальными нагрузками, действующими вдоль свайных рядов, целесообразно рассматривать как фундаментные конструкции, опирающиеся на «группы», состоящие из набора «свайно- грунтовых диафрагм» (рис. 8 цв. вклейки).

6. Работа как «свайно-грунтовых диафрагм», так и «групп» свай под действием горизонтальных нагрузок, действующих вдоль рядов свай, представляет собой весьма сложное взаимодействие свай с межсвайным грунтом и околосвайным грунтовым массивом, которое по мере увеличения в фундаменте количества «диафрагм», постепенно трансформируется из-за перераспределения сопротивления горизонтальной нагрузки между наружными («боковыми») и средними (внутренними) «диафрагмами». При этом:

1) наружные («боковые») «диафрагмы», образующие внешний контур свайной «группы», обладают более высокой несущей способностью, по сравнению с внутренними «диафрагмами», за счёт взаимодействия наружных рядов свай с массивом околосвайного грунта (табл. 1 и рис. 8-В цв. вклейки);

2) средняя величина сопротивления горизонтальной нагрузке, приходящаяся на одну сваю, снижается до величины меньше несущей способности одиночной сваи со свободной головой (рис. 13 цв. вклейки).

Заключение

Таким образом, несущая способность свайного фундамента в целом не будет равна простому произведению несущей способности одиночной сваи со свободной головой (определённой экспериментально или расчётом) на количество свай в «ряду» или в «группе», т.к. отличие работы сваи в «группе» свай или в однорядной «свайно-грунтовой диафрагме» от работы одиночной сваи со свободной головой обусловлено сложным взаимодействием свай (в «группе» или в «диафрагме») с грунтовым основанием, формированию которого способствуют такие факторы, как: 1) развитие горизонтальных перемещений свай с отрывом тыльной (задней) стенки боковой поверхности каждой сваи (в «группе» или в «диафрагме») от грунта; 2) развитие крена фундамента из-за вертикальных перемещений при вдавливании лидирующих свай в рядах и выдёргивании свай, замыкающих ряды; 3) различием в условиях работы как отдельных свай, так и отдельных рядов свай, расположенных с минимальным шагом в «группах» или в «диафрагме»; 4) вовлечение в совместную работу массива околосвайного и межсвайного грунта по всей глубине погружения свай в грунтовое основание.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Бахолдин, Б. В. Обобщение результатов экспериментальных исследований и предложения по расчету свай на горизонтальные нагрузки с учетом их гибкости / Б. В. Бахолдин, Е. В. Труфанова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. – Волгоград, 2013. – № 31 (50). – С. 227–232.

Григорьев, Ю. С. Компьютерная модель работы висячей призматической сваи в массиве глинистого грунта / Ю. С. Григорьев, В. В. Фатеев // Приволжский научный журнал / Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород, 2022. – № 1 (61). – С. 36–41.

Григорьев, Ю. С. Верификация компьютерной модели забивной призматической сваи в многослойном грунтовом основании / Ю. С. Григорьев, В. В. Фатеев // Приволжский научный журнал / Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет. – Нижний Новгород, 2022. – № 2 (62). – С. 79–84.

Григорьев, Ю. С. Численное моделирование работы горизонтально нагруженных свайных фундаментов / Ю. С. Григорьев, В. В. Фатеев ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2024. – 108 с. – ISBN 978-5-528-00590-4.

Дорошкевич, Н. М. Инженерные методы расчёта свайных фундаментов при различных схемах их нагружения / Н. М. Дорошкевич, В. В. Знаменский, В. И. Кудинов // Вестник МГСУ / Московский государственный строительный университет. – Москва, 2006. – № 1. – С. 119–132.

К вопросу об оценке несущей способности забивных железобетонных свай стандартных сечений на горизонтальную нагрузку / В. В. Знаменский, Е. П. Знаменская, Д. Ю. Чунюк, Д. Р. Халиуллина // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура / Пермский национальный исследовательский политехнический университет. – Пермь, 2018. – Том 9, № 1. – С. 60–69. – DOI 10.15593/2224-9826/2018.1.06. – Текст : электронный.

Кургузов, К. В. Piles and lateral loads: comparison of calculation methods / К. В. Кургузов, И. К. Фоменко // Вестник МГСУ / Московский государственный строительный университет. – Москва, 2019. – Том 14, вып. 10. – С. 1280-1291. – DOI 10.22227/1997-0935.2019.10.1280-1291. – Текст : электронный.

Купчикова, Н. В. Результаты численного анализа системы «здание-свайный фундамент-грунтовое основание» с помощью «MIDAS GTS NX» / Н. В. Купчикова, А. Н. Сычков // Инженерно-строительный вестник Прикаспия / Астраханский государственный архитектурно-строительный университет. – Астрахань. – 2021. – № 1 (35). – С. 19–24.

Нуждин, Л. В. Численное моделирование свайных фундаментов в расчетно- аналитическом комплексе SCAD Office / Л. В. Нуждин, В. С. Михайлов // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура / Пермский национальный исследовательский политехнический университет. – Пермь, 2018. – Том 9. – № 1. – С. 5–18.

Полищук, А. И. Оценка несущей способности свай в глинистых грунтах с помощью ПК PLAXIS 3D Foundation / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Вестник ТГАСУ / Томский государственный архитектурно- строительный университет. – Томск, 2013. – № 3 (40). – С. 351–359.

66 views·7 shares

66 views