Особенности расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем

Мариничев, М.Б. Особенности расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем / М.Б. Мариничев, И.Г. Ткачев, И.Г. Азов // Construction and Geotechnics. – 2024. – Т. 15, № 3. – С. 5–16. DOI: 10.15593/2224-9826/2024.3.01

Введение

При значительных сейсмических нагрузках на основание в сложных инженерно-геологических условиях площадок строительства наиболее приемлемым решением могут быть свайные или свайно-плитные фундаменты, способные снижать сверхнормативные деформации основания. Применение свайных фундаментов в сейсмических районах с учетом действия и других видов внешних нагрузок свидетельствует о существенном увеличении их стоимости. Более экономичным и технологически обоснованным является решение применения свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем, который устраивается на участке между оголовками свай и подошвой ростверка (плиты) [1, 2]. Установлено, что такое решение существенно снижает действие горизонтальных и моментных нагрузок в верхней части свай за счет включения в работу межсвайного грунта и плитной части фундамента (ростверка).

На сегодняшний день реализованы технические решения, предусматривающие устройство промежуточного распределительного слоя для фундаментов зданий в сложных грунтовых условиях [3, 4]. Известны также методы выбора конструктивного материала для промежуточного распределительного слоя, методы назначения его высоты и плотности сложения (укладки) [5]. Однако нормативная база для расчета свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем проработана пока недостаточно, что ограничивает возможность их применения для многоэтажных зданий, в том числе в районах с высокой сейсмичностью.

В настоящей статье изложены результаты исследований, направленных на совершенствование методов расчета и конструирования фундаментов с промежуточным распределительным слоем.

Методика эксперимента и теоретические подходы

В научных работах такой тип фундамента часто рассматривается как вертикально армированное основание, при этом промежуточному распределительному слою и его вкладу в общую эффективность всей конструкции уделяется недостаточное внимание. В зависимости от свойств основания и величины передаваемой на него нагрузки выбираются параметры свайного фундамента и технология его устройства, зависящая в значительной степени от вида грунтов и особенностей их напластования. Исследования авторов и данные наблюдений в разных регионах Российской Федерации (в городах Краснодарского края, Санкт-Петербурге, Казани и др.) свидетельствуют о повышении эффективности свайных фундаментов при устройстве промежуточного слоя.

В настоящей работе проведены теоретические исследования влияния высоты промежуточного распределительного слоя (ПРС), диаметра, шага и длины свай на конечные осадки основания свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем для многоэтажных зданий. На основании проведенных численных исследований и теоретических представлений о механизме работы ПРС в составе фундамента был разработан новый аналитический метод расчета напряжений в ПРС, позволяющий установить их распределение по низу фундамента.

Численные методы

В рамках численных исследований выполнено моделирование работы свайно-плитных и свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем с различной жесткостью надземного строения (от абсолютно гибкого до абсолютно жесткого) в программном комплексе MIDAS FEA NX. Всего подготовлено и проанализировано более 810 моделей фундаментов с различными параметрами при использовании модели упрочняющегося грунта при малых деформациях – Hardening Soil Small-strain (HSS).

Плитный фундамент рассматривался в виде сплошной железобетонной конструкции, геометрические размеры которой в плане 15×30 м, опирание на однородный суглинистый грунт с модулем деформации E0 = 14 МПа; коэффициентом Пуассона ν = 0,37; удельным сцеплением c = 23 кПа; углом внутреннего трения φ = 21°; удельным весом γ = 18 кН/м3.

Материал плитного ростверка и сваи описывается линейно-упругой моделью с модулем упругости E = 30000 МПа (бетон В25) и коэффициентом Пуассона ν = 0,2. Сваи для фундамента представлены железобетонными диметром Dp = 300, 600, 900 мм, но с различным осевым расстоянием Lp = 3Dp, 6Dp, 9Dp и длиной свай L = 5; 15; 25 м. Разработанная модель в MIDAS FEA NX представлена на рис. 1.

Для оценки степени влияния выбранных параметров на снижение конечных осадок фундамента был определен коэффициент эффективности kef, определяемый как отношение осадки свайного фундамента с ПРС к осадке фундаментной плиты на естественном основании при различной жесткости фундамента. Следовательно, чем коэффициент kef ниже, тем техническое решение эффективнее. На рис. 2 показаны изоповерхности, демонстрирующие зависимость коэффициента эффективности kef от межсвайного расстояния Lp/Dp и отношения высоты промежуточного распределительного слоя к диаметру (hgc/Dp) при различной жесткости фундаментной конструкции.

В ходе исследований установлены доли от общей нагрузки, передаваемые на сваи и плитную части фундамента. В том числе выявлен характер распределения максимальных усилий в сваях в зависимости от типа их сопряжения с фундаментной плитой (рис. 3).

При выявленных преимуществах свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем остаются нерешенные вопросы, ограничивающие область применения рассматриваемого технического решения, а именно недостаточная изученность напряженного состояния промежуточного распределительного слоя внутри типовой свайной ячейки, в том числе с учетом габаритов оголовков свай.

Аналитический метод расчета

Расчет промежуточного распределительного слоя, расположенного между фундаментной плитой и грунтовым основанием (ГО), производился на основе уравнений статического равновесия с учетом условий для осадки комбинированного свайно-плитного фундамента (КСПФ).

Нагружение фундаментной плиты весом здания приводит к сжатию ПРС, расположенному между плитой и ГО. Поверхность основания принимаем на одном уровне с головой сваи, обозначенной отрезками AB и A1B1 на рис. 4.

При нагружении материал ПРС разрушается по схеме пробоя полосы [7]. Роль полосы выполняет ПРС, штампа – голова сваи. Материал ПРС разрушается сдвигом при сжатии в области, огибающие поверхности скольжения которой образуют криволинейный треугольник (в разрезе), или криволинейный конус – в пространственном изображении. При росте нагрузки область разрушения трансформируется в «несущий столб» уплотненного материала ПРС (рис. 5) [7–9].

«Несущий столб» расширяется в стороны, по мере роста нагрузки [7], причем это расширение имеет больший размер в той его части, которая ближе к свае, как и в случае с действием штампа на ограниченный по толщине слой (рис. 6).

Описанные вше представления позволили построить инженерный метод описания распределения усилий в ПРС и обосновать возможность их изменения путем применения оголовков на сваях.

В настоящей работе задача о распределении усилий в ПРС решается методом, заключающимся в том, что области предельного равновесия ограничиваются кинематически возможными огибающими, имеющими форму прямых линий [10]. В итоге действующие на огибающих поверхностях усилия выражены в силах.

Вычисления основаны на том, что расчетная ячейка фундамента состоит из четырех буровых висячих свай, абсолютно жесткой фундаментной плиты, участков ПРС и ГО под ней [6]. На сечении ячейки вертикальной плоскостью показаны верхние части свай (A), область (B) уплотненного материала ПРС над сваей, область (C) уплотненного материала ПРС между четырьмя областями (B), область (D) грунта ГО между сваями (рис. 7). Эти области ограничены кинематически возможными огибающими, имеющими форму прямых линий.

Области предельного равновесия вблизи головы сваи сохраняют свои размеры для разных значений толщины ПРС (см. рис. 7), как было показано в [9].

Основное условие равновесия фундамента выражается уравнением сил, действующих на выделенную ячейку [6, 11]:

где Nf − вертикальная сила, действующая на выделенную ячейку фундамента от здания, σ f − среднее напряжение на подошве фундаментной плиты от веса здания, LP − расстояние между осями свай в квадратной сетке плана свайного поля, NP и Pb − силы сопротивления сваи и грунта основания между сваями, приходящиеся на выделенную ячейку фундамента соответственно.

Часть силы Nf действует непосредственно на тело B уплотненного материала ПРС, другая часть – на тело C, поэтому силу Nf представим суммой сил:

где N f .B и N f .C − вертикальные силы, действующие от здания на часть ячейки, ограниченную следом кругового конуса уплотненного грунта, и на часть, расположенную между четырьмя такими следами соответственно (рис. 8).

Условие равновесия тела В запишем в виде

где NP , TB и TD – равнодействующие реакции сваи на площадке AB, внутреннего трения на поверхности конуса CD и реакции ГО на кольцевой площадке BC соответственно (см. рис. 8, а). Силы TB и TD показаны двумя векторами, чтобы обозначить на сечении места приложения распределенных усилий. Их равнодействующие располагаются по оси сваи, как это сделано для TB на рис. 8, б.

Условие равновесия тела С (см. рис. 8, б) запишем в виде:

Суммирование уравнений (2) и (3), с учетом уравнения (4), дает уравнение (1), т.е. условия равновесия фундамента в целом сохраняются, а силы TB и TD являются внутренними для него, их алгебраическая сумма равна нулю.

Грунтовое тело B формируется более интенсивно, чем грунтовое тело C, так как в нем выше концентрация напряжений. Поэтому граница между этими телами определяется разрывом перемещений по поверхностям скольжения, следы которых в сечении представлены отрезками CD и DE, а также CˊDˊи DˊEˊ (см. рис. 8). Напряжения сохраняют при этом непрерывность, поэтому перемещению по этим поверхностям препятствуют силы внутреннего трения TB и TDE . Первые намного больше, чем вторые, потому что в области BDC происходит более упорядоченное движение по поверхностям скольжения, чем в области BOE и силой TDE на поверхности DE можно пренебречь по сравнению с силой TB на поверхности DC.

Сила TB вычисляется интегрированием напряжений σz (r;θ) на горизонтальных площадках, проходящих через точки отрезков CD и CˊDˊ, т. е. на коническом поясе, образованном этими отрезками.

Грунтовое тело B создает давление на тело D на поверхности BC (см. рис. 8 и 9) через ПРС в теле B, частично уравновешивая нагрузку N f .B . Результирующая этого давления TD рассчитывается интегрированием напряжений на горизонтальной кольцевой площадке, следами которой в сечении являются отрезки BC и AC’.

Вычисляя силы и напряжения на поверхности фундаментной плиты, проводят их сравнение с предельными значениями прочности материала промежуточного распределительного слоя, после чего делается вывод о необходимости применения оголовков свай.

Оголовок, устраиваемый на свае, шире сваи в плане и имеет высоту не менее половины диаметра сваи. Верхняя грань оголовка может устраиваться как внутрь толщины ПРС (см. рис. 9), так и в уровне головы сваи за счет демонтажа верхней части. Оголовок, вне зависимости от способа крепления к свае, можно считать ее частью. Поэтому для анализа влияния оголовка на работу ПРС под нагрузкой приняты за основу предыдущие расчеты.

Расстояние между эпюрами напряжений на подошве фундаментной плиты:

При большей толщине ПРС уменьшается расстояние Lch между площадками приложения реакции сваи, что приводит к уменьшению равнодействующей Nf.CH и давления материала ПРС на ГО между сваями (рис. 10). Это снижает эффект от включения ГО в общее сопротивление основания фундамента. Поэтому условие Lch = 0 можно рассматривать как предельный случай использования распределительной функции ПРС.

Таким образом, разработан аналитический метод расчета, позволяющий оценить напряжения и деформации в пределах ПРС в зависимости от давления на подошве фундаментной плиты, межсвайного расстояния и площади оголовков.

Результаты и обсуждение

В результате применения численных и аналитических решений разработана методика расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем, позволяющая на стадии разработки проекта по вычисляемым зависимостям распределения нагрузок между сваями и плитой, а также расчетным значениям конечных осадок таких фундаментов определить требуемые параметры свайного поля, после чего, используя аналитический метод расчета, проверить прочность материала промежуточного слоя и при необходимости назначить свайный оголовок расчетной величины. При этом оголовки могут быть одиночные, ленточные, кустовые, – в зависимости от шага и места расположения рассматриваемых свай в пределах фундамента. По полученным данным выполняются поверочные конечно-элементные расчеты проектного решения и проводятся натурные испытания элементов системы в условиях площадки строительства.

Внедрение разработанной методики расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем в условиях Юга России осуществлено на объектах многоэтажного и высотного строительства [11, 12], два из которых приведены на рис. 11, 12.

Таким образом, разработанная методика расчета и конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем для многоэтажных и высотных зданий дает возможность подобрать высоту промежуточного распределительного слоя и отрегулировать напряжения в нем с учетом оголовков свай или дополнительных компенсирующих мероприятий.

Выводы

При помощи численного моделирования в пространственной постановке на моделях большеразмерных плитных фундаментов (810 расчетных случаев) была установлена взаимосвязь между осадками основания и основными параметрами свайного фундамента с промежуточным распределительным слоем (шагом, длиной и диаметром свай) для абсолютно жесткого и абсолютно гибкого фундамента.

Разработан аналитический метод расчета параметров промежуточного распределительного слоя в составе свайных фундаментов с включением монолитных оголовков, базирующийся на условии его равновесия, расчете действующих сил и напряжений. Использование аналитического метода позволяет вычислять напряжения на поверхности фундаментной плиты над сваями и в пролете между ними.

По результатам численных и аналитических расчетов установлено, что высоту промежуточного распределительного слоя рекомендуется принимать не более 2Dp, а диаметр оголовка не более Dh = 2,5Dp.

На основании зависимостей, установленных в ходе исследований, разработаны рекомендации по проектированию свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем для многоэтажных и высотных зданий, в том числе с учетом различных методов устройства свайных оголовков.

Выполнено внедрение предлагаемых методов конструирования свайных фундаментов с промежуточным распределительным слоем в практику строительства многоэтажных и высотных зданий в Краснодарском крае; подтверждена высокая эффективность реализованных решений, при этом материалоемкость изготовления фундаментов снижена на 30–50 % по отношению к исходным вариантам с жесткой заделкой свай в фундаментную плиту.

Библиографический список

1. Рекомендации по проектированию свайных фундаментов с промежуточной подушкой для зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах // НИИ оснований им. Герсеванова при участии института «Фундаментпроект». – Кишинев, 1974.

2. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. – 3-е изд., доп. и перераб. – М.: Изд-во АСВ, 2023. – 1084 с.

3. Polishchuk, A.I. Evolution of the foundation design methods for multi-storey and highrise buildings in seismic regions / A.I. Polishchuk, M.B. Marinichev, I.G. Tkachev // Smart Geotechnics for Smart Societies: Proceedings of the 17th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Astana, Kazakhstan, August 14–18, 2023. – Astana, Kazakhstan, 2023. – P. 2358–2364.

4. Расчет и конструирование свайных фундаментов высотных зданий в сложных грунтовых условиях / М.Б. Мариничев, П.А. Ляшенко, В.В. Денисенко, И.Г. Ткачев // Фундаменты. – 2021. – № 1 (3). – С. 58–63.

5. The devastating 06.02. 2023 Turkey–Syria earthquake of extreme intensity XI: Aposteriori estimates and damage prevention / A. Karakozova [et al.] // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2023. – Vol. 410. – Р. 03001. DOI: 10.1051/e3sconf/202341003001

6. Мариничев, М.Б. Фундаменты многоэтажных и высотных зданий в особых условиях Юга России: дис. … д-ра техн. наук / М.Б. Мариничев. – СПб., 2023. – 355 с.

7. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл. – М.: Гостехиздат, 1956. – 408 с.

8. Гольдштейн, М.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты / М.Н. Гольдштейн, А.А. Царьков, И.И. Черкасов. – М.: Транспорт, 1981. – 320 с.

9. ASIRI 2012. Recommendations for the design, construction and control of rigid inclusion ground improvements, Presses des Ponts. – 383 p.

10. Качанов, Л.М. Основы теории пластичности / Л.М. Качанов. – М.: Наука, 1969. – 420 с.

11. Мариничев, М.Б. Исследование работы буровых висячих свай в составе фундаментов многоэтажных и высотных зданий / М.Б. Мариничев. – Краснодар: ПросвещениеЮг, 2022. – 155 с.

12. Мариничев, М.Б. Особенности учета инженерно-геологического строения оснований пойменных территорий в сейсмических районах при выборе технических решений фундаментов высотных зданий / М.Б. Мариничев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура – 2018. – Т. 9, № 1. – С. 103–113. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.1.10