МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 624.15: 631.6

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ

ФУНДАМЕНТОВ

 

Т.В. Некрасова – к.т.н., доцент;  Ю.В. Дараев – аспирант

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Несмотря на значительный объем экспериментальных и теоретических исследований свайных групп, выполненных российскими учеными, в нормативной литературе до настоящего времени отсутствуют какие-либо конкретные предложения по расчету свайно-плитного фундамента в свете рассмотрения взаимодействия всех трех составляющих «свая-грунт-плита».

Предложение по совершенствованию нормативных методов расчета фундаментов из свайных полей основано на экспериментальном опыте [1] наблюдений за деформациями двух промышленных труб и силосного корпуса зернового элеватора.

Фактические осадки и крен фундаментов этих сооружений оказались в 2-5 раз меньше расчетных осадок, хотя вследствие разных причин фактическая нагрузка превысила на 20- 40% расчетную нагрузку, определенную по данным статистических испытаний свай. Поэтому для более полного использования несущей способности свай предлагается при проектировании  свайного  поля по СНиП 2.02.03-85 принимать коэффициент надежности (п. 3.10 СНиП), равным 1 для всех свайных полей,  независимо от жесткости и предельной осадки сооружений.

Комплексный подход к расчету свайно-плитного фундамента положен в основу Московских городских строительных норм [МГСН, 1998]. Предлагается осадку такого фундамента рассчитывать на основе определения частных значений жесткости группы свай, ростверка и коэффициента их взаимодействия, используемого для определения коэффициента жесткости всего фундамента.

Общая жесткость фундамента Kf  равна

                                                       Kf = Kp + Kc ,                                                                (1)

где  Kp – жесткость группы свай;   Kp = ηwK1n;   ηw – коэффициент эффективности работы свай в свайном поле,  ηw = 1.1√n;   n – количество свай;   Kc – жесткость плиты,   Kc = EsF(1-v2)m0 ;    v – коэффициент Пуассона;   F – площадь плиты;   Es – модуль деформации грунта под плитой;  m0 – коэффициент, зависящий от отношения L/B (L – длина фундамента, В – ширина фундамента).

Осадка свайно-плитного фундамента равна

                                                         Sr = P/Kf ,                                                                  (2)

где  P – общая нагрузка на фундамент.

Часть нагрузки, воспринимаемой сваями, равна

                                                      Ро = (Кр  / Кf ) ∑P.                                                           (3)

Часть нагрузки, воспринимаемая плитой

                                                        Pc = (Kс / Kf ) ∑.                                                            (4)

В связи с трудоемкостью и значительными материальными затратами исследования вопросов расчета и проектирования плитных фундаментов со сваями за рубежом [2] ведутся путем проведения численных экспериментов с использованием различных моделей основания.

Обзор результатов численных исследований [2] показывает, что основным вопросом проектирования плитных фундаментов со сваями является определение доли нагрузки, воспринимаемой плитой. На основании результатов параметрических исследований, выполняемых группой ученых, включая самого автора, он отмечает, что для решения этой задачи наиболее удобным методом является «параметрическое» изучение взаимодействия  «плита-сваи-основание». При этом в отличие от численных методов, применяемых для свайных полей с любым расположением свай и любой формой плиты, «параметрическое» исследование используется для прямоугольных плит с рядовым расположением свай. Исследуемыми параметрами являются: отношение нагрузок, воспринимаемых плитой, к нагрузкам, воспринимаемым сваями (Pс/Po); жесткости плиты к жесткости группы свай (Kс/Kp). В результате получена формула, позволяющая оценить долю нагрузки, воспринимаемой плитой

                                         Pс / Рo = (0,2/(1-0,8(Кс/ Кр)))х(Кс/ Кр).                                       (5)

 

В «Заключении» обзорного доклада Рандольфом М. сформулированы основные методы проектирования свайно-плитных фундаментов.  Автор подчеркивает различие в поведении одиночной сваи и группы свай, выраженное экспериментальным фактом; в отличие от одиночной сваи при нагружении группы свай удельные сопротивления на боковой поверхности первоначально возникают у нижнего конца свай и развиваются к голове сваи с увеличением нагрузки.  Поэтому принципы проектирования свайно-плитных фундаментов не могут быть основаны на результатах исследований поведения одиночной сваи.

Проектирование плитных фундаментов, по мнению автора, может выполняться с применением трех разных подходов:

1) из условия удовлетворения ряду технических параметров (по прочности, по деформации).  При этом при проектировании должны использоваться результаты исследований по определению доли нагрузки, воспринимаемой плитой и сваями;

2) метод проектирования, базирующийся  на трех основных принципах:

на каждую сваю допускается нагрузка, составляющая 80% от предельного сопротивления сваи, при которой, начинают развиваться «пластические деформации»;

сваи проектируются под плитой с целью снижения контактного давления под подошвой плиты;

фундамент проектируется как плитный, но общая осадка уменьшается путем введения свай равномерно по площади плиты [3];

3) метод, основанный на контроле разницы деформаций плит, сваи размещаются под центральной частью плиты с целью снижения разницы деформаций основания плитного фундамента.

В заключение данного обзорного доклада автор отмечает, что во многих странах проектирование плитных фундаментов со сваями выполняется на основании данных поведения одиночных свай под нагрузкой. Однако, учитывая огромную разницу между работой одиночной сваи и сваи в поле, при проектировании свайно-плитных фундаментов необходимо рассматривать фундамент во взаимодействии всех его элементов (свая, плита, основание), а несущая способность одной сваи имеет очень маленькое значение.

В трудах ХIV Международного конгресса /г. Гамбург, 1997/ опубликован ряд статей, посвященных проектированию свайно-плитных фундаментов.

Методы оптимального проектирования свайно-плитных фундаментов рассмотрены в статье Хорикоши К. и Рандольфа М. /Ноrikoshi и др., 1997/.  Основной целью такого проектирования является минимизация разницы деформаций плиты, что возможно при подведении свай под центральную часть плиты.

На основании выполненных параметрических исследований нами сделаны следующие выводы:

сваи следует распределять под центральной частью плиты на 16-25 % её площади;

общая несущая способность свай должна соответствовать 60-70 % общей нагрузки;

допускаемый уровень использования несущей способности m не должен превышать 0,8,  m=P/Fd, где P – нагрузка, передаваемая на сваю;  Fd – предельное сопротивление свай.

При рассмотрении некоторых аспектов численного анализа [4] сплошных свайных полей, проводились  исследования в следующих направлениях:

оценка применимости различных методов расчета в практике проектирования;

определение численных значений свойств грунтов;

моделирование основания.

На основании выполненных исследований отмечается, что имеющиеся методы расчета сплошных свайных полей, основанные на применении метода граничных элементов и метода конечных элементов, достаточно грубы и имеют свою область применения.  Погрешности результатов расчета более +/- 20 %.

Наиболее слабым местом в решении проблем сплошных свайных полей является определение свойств грунтов основания, причем сваи осложняют эту проблему.  Испытания одиночной сваи для оценки деформативных свойств грунтов основания допускается использовать с большой осторожностью только для однородных по вертикальному разрезу оснований. В случае присутствия несжимаемого слоя на глубине Н такой подход приведет к значительному искажению результата.

Публикации, посвященные сравнению различных методов расчета [5] подчеркивают необходимость решения некоторых задач при расчете свайно-плитных фундаментов, а именно:

учет инженерно-геологического сложения основания;

учет взаимодействия системы «сваи-грунт-плита»;

определение количества и размещение необходимого числа свай;

определение перераспределения нагрузки между плитой и сваями;

оптимальное использование несущей способности свай и учет нелинейности в расчете;

определение средней осадки и неравномерной осадки фундамента;

определение усилий в сечениях плиты.

Приводятся типичные зависимости «нагрузка-осадка», где  одна кривая – «нагрузка-осадка» для сваи в свайно-плитном фундаменте, запроектированном традиционно (по требованиям норм); другая кривая – «нагрузка-осадка» для сваи в свайно-плитном фундаменте, запроектированном при допущении больших нагрузок на сваи и третья – то же, для сваи в свайно-плитном фундаменте при условии полного исчерпания несущей способности свай; а также – для плиты без свай.

Все методы расчета свайно-плитных фундаментов авторы разделяют на три класса:

упрощенные методы;

приближенные «компьютерные методы»;

более точные «компьютерные методы».

К упрощенным методам авторы относят методы, основанные на учете перераспределения нагрузок, передаваемых на сваи и на плиту пропорционально отношению коэффициентов жесткостей свай и плиты.

К приближенным «компьютерным методам» авторы относят расчеты, основанные на моделировании плит как лент или плит на упругом основании.

К более точным «компьютерным методам» авторы относят методы расчета, основанные на применении численных методов: граничных элементов и конечных элементов.  По результатам сравнения расчетов осадок, изгибающих моментов в плите, а также доли нагрузки, воспринимаемой сваями, полученных различными методами, можно сделать вывод, что разброс при определении величин осадок и моментов колеблется от 25 до 30%, а при определении доли нагрузки, воспринимаемой сваями, пять методов дают практически один результат (80-90% от общей нагрузки).

На основании результатов численных исследований разрабатывается европейская нормативная база (Eurocod) для расчета свайно-плитных фундаментов.

В Eurocode 7 /Eurocode 7, 1996/ при проектировании свайных групп рекомендуется использовать два метода расчета:

по результатам расчета одиночной сваи с учетом эффекта взаимовлияния свай;

по схеме «эквивалентного фундамента», рассматривая фундамент как одиночную сваю большого размера.

Отмечается, что в случае использования свай для снижения осадок плитного фундамента предельное сопротивление свай определяет эксплуатационную надежность сооружения. Также указывается на необходимость учета жесткости сооружения при проектировании свайного поля.

В Германии в 2000 г. разрабатывались рекомендации [6], в этих нормах содержатся: классификация фундаментов, их область применения, требования к изысканиям, требования к методам расчета фундаментов и критерии предельных состояний на основании эксплуатационной пригодности зданий.  Рекомендуется выполнять расчет свайного поля одним из четырех методов:  эмпирическим;  методом, базирующимся на эквивалентных фундаментных системах;  аналитическим упрощенным;  численным.  При этом выбор того или иного метода должен быть обоснован проектировщиком путем обратного анализа результатов статических испытаний одиночных свай и наблюдений за деформациями свайно-плитных фундаментов в аналогичных грунтовых условиях.

Определение оптимальных параметров свайного поля при учете взаимодействия свай, грунта и плиты является лишь первым этапом проектирования свайно-плитного фундамента. Не менее важным этапом оптимального проектирования  фундамента является расчет самой плиты, определение усилий в сечениях плиты и армирование плиты.

 

Библиографический список

 

1.      Трофименков и др. Экспериментальный опыт наблюдения за деформациями двух промышленных  труб и силосного корпуса зернового элеватора, 1990.

2.      Рандольфа М.  XIII Международный конгресс по фундаментостроению в г. Дели (доклад), 1994.

3.      Burland  и др. Расчеты сооружений на неравномерно деформируемом основании, 1977.

4.      Статья Руссо и Виджиани (Russo и др., 1977).       

5.      Статья Поулоса, Смола и др. (Poulos H.G. и др., 1997).

6.      Katzenbach R.,  Moormann Chr..  Рекомендации по расчету и проектированию свайно-плитных фундаментов, 2000.