УДК 624.153 Д. А. Карпенко, аспірант

До моделювання напружено-деформованого стану лесової

основи буронабивної палі з розширенням

Design of the stress-strain of bored pile with expansion in poor-bearing soils

У статті подані результати досліджень взаємодії буронабивної

палі з розширенням в складних ґрунтових умовах. Наведено методику моделювання на різних технологічних етапах будівництва напружено-деформованого стану буронабивної палі з розширенням. Подано аналіз отриманих результатів.

В практиці промислового і громадського будівництва, яке зводиться на лесових ґрунтах, в якості фундаментів широко використовуються буронабивні палі з розширенням. Для визначення їх несучої здатності виконують стандартні випробування і використовують теоретичні методи. Однак до цього часу деякі фактори, які впливають на достовірну оцінку несучої здатності паль, залишаються ще маловивченими. До таких факторів можна віднести: швидкість прикладення навантаження; методику замочування ґрунтової основи; технологію влаштування паль; уточнення розрахункових значень опору ґрунту по боковій поверхні для буронабивних паль в лесових ґрунтах; явище контакту між бетоном і ґрунтом та ін.

Однією з важливих задач є апроксимація нелінійної залежності між навантаженням на палю і її осіданням, характерним для просідаючих ґрунтів. Ряд питань пов'язаний з оптимальним числом розширень буронабивних паль і їх розміщенням на стовбурах, а також вплив багатошаровості основи на несучу здатність паль.

Проте, за рахунок недостатньої вивченості взаємодії буронабивних паль з розширенням і оточуючого ґрунту, виникає необхідність дослідження процесів, які відбуваються при їхньому влаштуванні.

Згідно сучасним науковим уявленням максимальне наближення розрахункової схеми системи “паля-основа” до реальних умов може бути досягнуто за допомогою нелінійних методів розрахунків, які засновані на рішенні пружно-пластичних задач. У цих задачах граничні стани двох груп аналізують, коли розглядають одну модель ґрунту. Такі рішення

дозволяють оцінити у кожній точці системи “паля-основа” напружено-деформований стан, який відповідає заданим фізичним умовам.

Робота паль в лесових ґрунтах визначається типом ґрунтових умов за просіданням. Розглянемо наступні варіанти розрахункових схем, які потрібно враховувати при влаштуванні паль з розширенням в лесових грунтах.

При першому варіанті розрахункової схеми, коли паля не прорізає лесову товщу, при замочуванні навколо п’яти палі фізико-механічні показники ґрунту змінюються при їх водонасиченні: En – Esat, cn – csat, ν n –ν sat, ϕϕ −n sat, тобто несуча здатність розширення палі зменшується безпосередньо зміною властивістю ґрунтової основи.

При другому варіанті розрахункової схеми, коли паля повністю

прорізає лесову товщу, то відбуваються зміни щодо сил тертя по бічній поверхні, Fd.f – Fdf.sat , а фізико-механічні показники ґрунту навколо розширення залишаються незмінними. Тобто, при водонасиченні, навантаження на розширення зростає за рахунок зменшення сил бічного тертя в лесовій товщі.

При розгляді третього варіанту, коли просідання відбувається при II другому типі ґрунтових умов, тут відбувається зміна сил бічного тертя по палі на мінусові значення Fd.n – - Fd.n , Fd.n – - Fd.sat , тобто на палю з розширенням впливає привантаження ( або виникають довантажуючі сили тертя ), які потрібно враховувати. Фізико-механічні показники ґрунту

навколо розширення теж залишаються незмінними. Грунт навколо розширення не ущільнюється, тобто його структура залишається природною і тому додається явище просідання Esl, Psl.

Виходячи з цього, вивчення деформації одиночної палі можливе за допомогою чисельного моделювання, і як тестову задачу, розглянуто майданчик на якому були проведені статичні випробування палі з розширенням.

Дослідний майданчик характеризується слабкими водонасиченими ґрунтами (супісок, суглинок заторфований, пісок та прошарки торфу), які за властивостями близькі до водонасичених лесових ґрунтів (рис. 1). Модуль деформації змінювався в широкому діапазоні.

Розрахунок одиночної палі з розширенням виконаний за допомогою числового моделювання в програмному комплексі PLAXIS. Для порівнянь результатів розрахунку було змодельоване рішення плоскої та просторової задачі.

Граничні умови в нижній частині моделі представлені у вигляді суцільного защемлення, а вертикальні стінки - у вигляді шарнірно - рухомих опор. У даному розрахунку використовується пружно-пластична модель Мора-Кулона. Нелінійна модель включає в себе п’ять параметрів, які в більшості випадків відомі: модуль Юнга - E, коефіцієнт Пуассона - n, питоме зчеплення - c, кут внутрішнього тертя - ϕ і кут дилатансії - λ. Паля моделюється елементами плоско - напруженого стану в рамках пружної лінійно-деформованої моделі. Розрахункові характеристики матеріалу палі: модуль Юнга, Е=30x107, коефіцієнт Пуассона, ν = 0,2.

Взаємодія палі із ґрунтом враховується за допомогою інтерфейсу - контактної зони (рис. 2). Інтерфейси дозволяють задати менше поверхневе тертя по палі. Властивості інтерфейсів пов'язані із міцностними властивостями ґрунту через коефіцієнт зниження міцності. Тобто, при заданому значенні ми маємо менші величини тертя і зчеплення по інтерфейсу в порівнянні з кутом тертя і з питомим зчепленням прилягаючого ґрунту.

Розрахунок напружено - деформованого стану основи при влаштуванні буронабивної палі з розширенням складається з наступних етапів. До початку розрахунків визначаються початкові умови. До них відносяться початкові умови генерування тиску води (рис. 3). Далі генеруються початкові напруження від власної ваги ґрунту.

Рис. 1 Інженерно-геологічний розріз Рис. 2 Скінчено – елементна модель

Після отримання вихідних даних на другому етапі моделюємо процес виїмки ґрунту. Виїмка ґрунту виконується в декілька етапів, границі між якими моделюються за допомогою геометричних ліній (рис.4). Третій етап - моделювання процесу розширення в нижній частині палі. На четвертому етапі моделюємо процес заповнення бетоном свердловини за допомогою активування та дезактивації параметрів моделі. На п’ятому етапі прикладаємо зовнішнє навантаження кроками, у вигляді зосередженої сили до осьового вузла верхньої грані фундаменту.

Рис. 3 Генерування тиску води Рис. 4 Поетапний метод числового

моделювання технологічного процесу

Після розрахунку маємо наступні результати - ізополя осідань палі

показані на рис. 5.

Рис. 5 Ізополя осідання палі

Результати розрахункових та експериментальних залежностей “навантаження-осідання” представлені на графіку (рис. 6). Несуча здатність палі при навантаженні N = 350тс склала: при статичних випробуваннях S = 16 мм, при розрахунку плоскої задачі S = 22 мм, а при постановці просторової моделі S = 20мм. Отже, перевагу потрібно віддавати просторовій задачі, бо отримані результати більш наближені до статичних випробувань.

На основі проведених досліджень можна зробити наступні висновки: 1. Змодельовані етапи технології влаштування буронабивної палі з розширенням дають нам змогу прослідкувати на всіх етапах зміну напружено-деформованого стану основи, і більш наблизитися до реальних умов влаштування паль в складних ґрунтових умовах; 2. Прийнята тестова задача показала можливість виконання розрахунку одиночної палі з розширенням в лесовій просідаючій основі для вказаних розрахункових схем; 3. З отриманих результатів моделювання, несуча здатність буронабивної палі з розширенням складає: при плоскій постановці задачі Nd=326тс; при просторовій - Nd = 338тс; 4. Виконане порівняння отриманих розрахункових величин з експериментальними даними показує, що розбіжність величин осідання одиночної буронабивної палі з розширенням при дії вертикального навантаження становить 5-7 %.

- статичне випробування; - моделювання (плоска задача); - моделювання (просторова задача).

Рис. 6 Графіки розрахункових та експериментальних залежностей “навантаження - осідання”

В статье поданы результаты исследований взаимодействия

буронабивной сваи с расширением в сложных грунтовых условиях. Приведено методику моделирования на разных технологических этапах строительства напряженно-деформированного состояния буронабивной сваи с расширением. Подан анализ полученных результатов.

In the article there are the results of researches of cooperation of bored

pile with expansion in poor-bearing soils. The method of design of the stress-strain state bored pile is given with expansion on different technological stages of constructions. The analysis of the results is also given. 1. СНиП 2.02.03.-85. Свайные фундаменты, - М.: Стройиздат, 1985. 2. Бойко И.П. Напряженно-деформированное состояние упруго-пластического дилатирующего основания свайных фундаментов //Основания и фундаменты.-К.: Будівельник ,1986. - Вып.19.- С.7-9. 3. Методические указания и рекомендации по определению несущей способности буронабивных свай по аналогии инженерно - геологических условий на территории г. Киева. – К.: Киевпроект, 1979. – 194с. 4. Руководство по проектированию свайных фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах. М.; Стройиздат, 1969.