Расчет конструктивных решений КЖ свайного фундамента высотного здания

Выполнили расчет свайного фундамента высотного здания.

Обоснование типа фундамента

Проектирование

Проектирование оснований и фундаментов, согласно российским нормативным документам, включает обоснованный расчетом выбор типа основания естественное или искусственное, конструкции и размеров фундамента мелкого или глубокого заложения. Большинство современных высотных зданий, за редким исключением, возведено на глубоких опорах, таких как сваи или баретты это сваи прямоугольного сечения. Это обусловлено тем, что применение плитного фундамента для высотного здания возможно лишь в том случае, когда прочные скальные грунты находятся на поверхности или относительно неглубоко
от неё (до 20 м).

Назначение фундамента глубокого заложения в том, чтобы передавать нагрузку от верхнего строения на более плотные и малодеформируемые грунты, которые, как правило, залегают на относительно большой глубине. Важной задачей при расчете и проектировании фундаментов высотных зданий является ог­раничение величин осадки, крена и прогибов до допустимого уровня. При этом, в отсутствие нормативных предельных значений для высотных зданий, допустимый уровень указанных величин определяется в результате совместного расче­та основания, фундамента и надземной части, а также исходя из технологических требований применяемого оборудования (лифтового оборудования и др.).

Варианты

Выбор варианта со сваями или бареттами целесообразно производить на основе технико-экономического сравнения. С технической точки зрения сваи и баретты обладают некоторыми преимуществами и недостатками, не являющимися определяющими в выборе варианта.

В инженерно-геологическом разрезе до глубины порядка 29м залегают слабые для восприятия нагрузок от .и грунты - слои моренных (ИГЭ-6) отложений и дислоцированных вендских глин. Залегающие ниже вендские отложения (ИГЭ-8…10), обладают лучшими, в сравнении с вышележащими грунтами, характеристиками. Имеющийся в кровле вендских глин слой ИГЭ-7 (дислоцированные глины), обладает характеристиками, сопоставимыми с грунтами морены, что также делает невозможным передачу нагрузок от здания на указанный слой.

Вендские отложения ИГЭ-9 и ИГЭ-10 обладают лучшими в инженерно- геологическом разрезе деформационными свойствами (Е=100…550 МПа). В тоже время применение Вендских глин в качестве основания высотного здания осложнено тем, что они обладают выраженной механической анизотропией и реологическими свойствами, а также тем, что опыт строительства на вендских глинах практически отсутствует.

В случае принятия в качестве основания свайного фундамента вендских глин ИГЭ-8....9, требуемая длина свай может составить 65…75м от дна котлована (75...85м от поверхности). Учитывая значительные нагрузки, передаваемые на каждую сваю, следует применять сваи с отношением длины к диаметру не более 30…35. В рассматриваемом случае этому отношению соответствуют сваи диаметром 2м.

Основной целью при выборе длины и положения свай в плане является обеспечение несущей способности фундамента и получение оптимальной податливости (или жесткости) свайного основания. Для снижения неравномерной осадки в плане требуется под более нагруженными частями фундамента запроектировать основание более жестким. Увеличить жесткость основания можно несколькими путями, например, снижением податливости несущих элементов (свай или баретт). Понизить податливость свай можно, увеличив длину сваи или размер её поперечного сечения. Помимо изменения длины и сечения сваи их податливость можно изменить путем сгущения или разрежения шага свай.

На рассматриваемой площадке .и возможно применение как свайного фундамента с отметок, принятых архитекторами с учетом архитектурно-планировочных решений, так и устройство плитно-свайного фундамента (ПСФ) с устройством плиты на отметке кровли вендских или моренных отложений с устройством дополнительных подземных этажей, которые можно выполнить как эксплуатируемыми так и неэксплуатируемыми.

Плитно-свайный фундамент

Рассматривая вопрос о применимости плитно-свайного фундамента, можно отметить, что для восприятия нагрузки грунтом, залегающим непосредственно под подошвой ростверка, требуется выполнение нескольких условий. Основными из них являются наличие относительно малодеформируемого грунта непосредственно под подошвой фундамента и применение свайного основания с шагом не менее 4…5 диаметров сваи. Оба этих условия при принятой глубине заложения плитного ростверка выполняются лишь частично. Деформационные характеристики моренных отложений в 5…10 раз меньше чем у вендских глин, а шаг свай более 4…5 диаметров возможно реализовать лишь в периферийных малонагруженных зонах фундамента, что не позволит передать существенную нагрузку на грунт.

При заложении низа плитного ростверка на отметке залегания недислоцированных вендских глин (≈ - 29 м), применение ПСФ позволит передать часть нагрузки от сооружения на грунт через плитную часть фундамента. По предварительной оценке, плитной частью фундамента может быть передано до 20…30% нагрузки от здания, а количество свай сокращено на 10…20%, но при этом необходимо увеличение глубины заложения ростверка.

После технико-экономического сравнения различных вариантов фундамента, различных глубин заложения подошвы ростверка, учитывая технико-экономические показатели, принятую архитектурную концепцию и сроки выполнения работ было принято устройство подошвы ростверка на отметке -16,9 м.

Расчет свайного фундамента.

Расчет несущей способности свай в соответствии с нормативными документами.

Площадь сечения сваи и его форма имеет значительное влияние на несущую способность сваи. Логично предположить, что существует оптимальное сечение сваи, обладающее наибольшей несущей способностью и, в то же время, удовлетворяющее конструктивным требованиям. Общепринятым конструктивным параметром сваи является отношение её длины к диаметру. При высотном строительстве, особенно в тех случаях когда верхняя часть геологического разреза представлена слабыми грунтами отношение длины сваи к диаметру (l/d) должно составлять не менее 30.

Для анализа возможных конструкций фундамента были произведены расчеты несущей способности свай различной длины и диаметров. Были рассмотрены диаметры свай 1,8; 2,0; 2,2; 2,5 и 3,0м. Рассматривались длины свай, соответствующие заглублению нижних концов свай в слой недислоцированных вендских глин на 10…90 м (что соответствует отметкам от -40…-120 м абс.).

Расчет несущей способности сваи по существующим нормативным документам имеет ограничение, существенно влияющее на расчет в рассматриваемых инженерно-геологических условиях. Принятая в СНиП методика расчета несущей способности сваи была разработана для относительно неглубоких свай (до 30…45м от поверхности земли), что не позволяет учитывать повышение сопротивления по пяте и боковой поверхности сваи на больших глубинах. Указанная особенность видна на рис.4.1.1 –сопротивление сваи в однородном грунте с увеличением её длины не возрастает, что противоречит основополагающим законам механики грунтов.

Рассмотрев характер изменения предельного сопротивления на боковой поверхности сваи в зависимости от глубины можно отметить, в грунтах с показателем текучести равным 0,2 сопротивление линейно возрастает с глубиной, что позволяет применить линейную экстраполяцию. При этом такое допущение добавляет некоторый запас надежности – на рассматриваемой площадке механические свойства грунта с глубиной возрастают нелинейно.

Таким образом, расчет несущей способности свай путем экстраполяции приведенных в таблицах СНиП значений по глубине является теоретически обоснованным и близким к нормативной методике. С увеличением глубины заложения свай в грунте растут вертикальные и горизонтальные напряжения, что в свою очередь вызывает увеличение предельных значений трения по боковой поверхности сваи и сопротивления по пяте.

Сопоставление расчетных значений сопротивления свай по пяте с экспериментальными, полученными на площадке ОДЦ «.», показало, что экспериментальные значения близки к расчетным, полученным путем экстраполяции таблиц СНиП.

В мировой практике существует общепризнанный, однако, не вошедший в действующие нормативные документы РФ (однако отражен в рекомендациях) способ расчета по прочностным характеристикам грунта. Его суть заключается в разбиении сваи на элементарные слои по длине, определение действующего горизонтального напряжения в каждом из элементарных слоев и последующем определении предельного сопротивления по боковой поверхности по теории Кулона-Мора. При этом к значению предельного сопротивления вводится коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности, учитывающий влияние способа производства работ.

Способы определения предельного сопротивления

Сопоставление различных способов определения предельного сопротивления по боковой поверхности сваи представлено на рис. 4.1.1. При анализе рис. 4.4.1 можно отметить, что зависимость сопротивления грунта на боковой поверхности сваи, определенная по таблицам СНиП без экстраполяции (М1), имеет аномальный характер – возрастания сопротивления грунта при увеличении глубины не происходит. Сопротивление, определенное с учетом экстраполяции (М2) возрастает с глубиной линейно, а определённое по прочностным характеристикам (М3) повторяет характер напластования грунтов и изменяется как с глубиной, так и в зависимости от инженерно-геологического элемента.

С глубиной разница в характере зависимостей определяемых различными способами возрастает все больше. На отметке, соответствующей половине длины сваи (-55 м абс), сопротивление по методу М1 составляет 100 кПа, по М2 138, а по М3 – 213 кПа. В процентном отношение М2 и М3 дают большие в 1,38 и 2,13 раз сопротивления.

Таким образом, в настоящей работе расчетная несущая способность сваи была определена тремя методами. Нижней границей оценки несущей способности является расчет по СНиП, а верхней границей расчет по прочностным характеристикам. Испытания свай, проведенные на площадке ОДЦ «.», показали, что расчет по прочностным характеристикам имеет наиболее близкое совпадение с опытными данными. Можно ожидать, что результаты испытаний опытных свай окажутся близки к верхней границе расчетной оценки.

Расчеты несущей способности свай рекомендуется выполнять в соответствии со СНиП с учетом экстраполяции.

Существенное влияние на несущую способность свай оказывает то обстоятельство, включается ли в работу пята сваи или нет. Если на дне скважины, пробуренной для устройства сваи, будет оставаться шлам, т.е. не будет получено удовлетворительное качество зачистки забоя, то пята сваи включится в работу лишь при достижении относительно больших величин осадок (боле 5 см) и в целом будет иметь существенно меньшую несущую способность.

При проектировании фундамента .и в запас надежности можно рассмотреть возможность устройства свай максимально возможной глубины, при которой они могли бы работать только по боковой поверхности.

Расчет

Из представленных ниже результатов расчетов видно, что несущая способность только по боковой поверхности сваи существенно ниже несущей способности сваи, определенной с учетом работы как боковой поверхности, так и пяты (для свай длиной 60 м, диаметром 2 м на 1000 Тс, а с учетом экстраполяции на 2000Тс). Полученные результаты подчеркивают важность мероприятий по контролю качества в процессе устройства свай, а особено зачистки её забоя. Применение свай, которые работают только по боковой поверхности экономически не целесообразно, и более эффективным мероприятием оказывается тщательная зачистка забоя сваи или цементация грунта под пятой сваи.

Кроме качества зачистки забоя на несущую способность свай и баретт, устраиваемых под бентонитовым раствором, оказывает образование слоя бентонитовой корочки. При этом толщина слоя бентонитового раствора, а, следовательно, и несущая способность сваи по боковой поверхности зависит от времени, в течении которого боковая поверхность скважины находилась в контакте с бентонитовым раствором. Чем более длительным оказывается период от окончания проходки до начала бетонирования сваи, тем большим может оказаться снижение ее несущей способности.

В таблицах и на рисунках приведены значения несущей способности свай, рассчитанные по СНиП с учетом экстраполяции и без нее, а также с учетом наличия шлама под пятой. В первом столбце приведена глубина заложения сваи, далее приведены расчеты с учетом пяты и без, а в последних столбцах те же расчеты приведены с учетом экстраполяции таблиц СНиП. Из таблиц и графиков на рисунках видно, что несущая способность свай изменяется с глубиной линейно.

В таблицах приведены минимальные требуемые количества свай. При длине свай 60 м требуемое количество свай диаметром 1,8, 2,0 и 2,5 м составит 268, 208 и 153 штук, а при расчете с экстраполяцией 155, 133 и 96 штук соответственно. Разница в требуемом количестве свай, рассчитанном разными методами, составляет 58…64%.

На рисунках приведены графики несущей способности сваи на 1 м3 в зависимости от длины и диаметра. На рисунке приведены те же показатели, но для расчета с экстраполяцией. При анализе рисунков можно отметить, что наиболее эффективными с точки зрения расхода железобетона являются сваи меньшего диаметра. Если при анализе не учитывать экстраполяцию, то эффективность свай падает с глубиной, а при её учете незначительно возрастает.

На рисунках показана несущая способность свай, рассчитанная по прочностным характеристикам грунта. Ожидается, что фактическая несущая способность свай окажется близкой к значениям.

Полученные значения требуемого количества свай являются минимальными для обеспечения требований нормативных документов. В процессе проектирования и выполнения расчетов количество свай обычно увеличивается по следующим причинам:

• распределение нагрузок на сваи в составе свайного основания неравномерное, характеризующееся возникновением в крайних сваях наибольших усилий;
• при расчете по второму предельному состоянию (по деформациям), для снижения прогиба фундамента в отдельных его зонах потребуется устройство дополнительных свай.

Расчет осадки фундамента в соответствии с нормативными документами.

Как указывалось в предыдущем разделе, в соответствии с нормативными документами, основания и фундаменты должны рассчитываться по двум группам предельных состояний:

• по первой — «по несущей способности»
• по второй — «по деформациям».

Вопросы расчета несущей способности основания рассматривались в разделе 4.1. В данном разделе рассмотрим вопросы, связанные с определением осадки фундамента.

В соответствии с российскими нормативными документами осадка основания рассчитывается одним из аналитических «инженерных» методов расчета. К таким методам относятся метод послойного суммирования с применением расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Нс и метод линейно-деформируемого слоя (метод Егорова). В [19] появилась вариация метода послойного суммирования, главной особенностью которой является изменение способа ограничения сжимаемой толщи и учет разгрузочного эффекта (разуплотнения и повторного нагружения) при вскрытии котлована.

В настоящем разделе осадка фундамента рассчитывалась методами, рекомендованными нормативными документами по схеме условного фундамента для заложения низа свай на отметках -50…-120 м абс., что соответствует заглублению в слой вендских глин на 20…100 м.

Традиционно осадки основания рассчитываются аналитическими методами, в основе которых решение задачи теории упругости о сосредоточенной силе, приложенной к однородному изотропному полупространству (задача Буссинеска), эмпирическими методами, в основе которых лежат наблюдения за осадками построенных сооружений, либо комбинированными методами включающими в себя оба подхода.

Полная конечная осадка фундамента зависит от: значений напряжений в основании и его распределяющей способности; условий в плоскости контакта фундамента и грунта; размеров, формы, жесткости, глубины заложения фундамента, очертания его подошвы, глубины сжимаемой толщи основания и свойств грунтов (характеристик деформируемости, плотности сложения песчаных и консистенции пылевато-глинистых грунтов и т. д.); характера и скорости нагружения, условий производства работ.

В условиях строительства высотных зданий достоверный прогноз абсолютных величин и неравномерностей осадок становится чрезвычайно важной задачей. Особую актуальность данный вопрос приобретает при выполнении совместных расчетов основания и надземных конструкций здания, усилия в которых напрямую зависят от характера деформирования грунта.

По теории упругости зона распространения напряжений в глубину массива грунта от нагрузки на его поверхности не ограничена и стремится к бесконечности. Однако на определенной глубине напряжения от собственного веса грунта значительно превышают приращения напряжений от внешней нагрузки. Поэтому без большой погрешности можно допустить, что незначительное увеличение напряжений на определенной глубине практически не вызывает уплотнения грунта. В связи с этим глубину сжимаемого массива грунта под фундаментом в большинстве методов расчета осадок ограничивают тем слоем, в котором деформации грунта незначительны и поэтому могут не учитываться.

В целом существуют различные расчетные приемы определения сжимаемой толщи основания, например, по соотношению давлений (напряжений) или деформаций на ее границе, в зависимости от размеров фундамента, характера напластования грунтов и др.

В документах для расчета осадки свайного фундамента предписывается использование схемы условного фундамента, по модели упругого полупространства с ограничением сжимаемой толщи (зоны активного взаимодействия фундамента с грунтом основания).

В рассматриваемом случае проектирования фундамента высотного здания расчет осадки по существующим нормативным документам имеет серьёзный недостаток – при достижении определенной глубины заложения свай величина сжимаемой толщи становится постоянной и не зависящей от глубины заложения фундамента, что противоречит основным положениям механики грунтов. Глубины сжимаемой толщи, определяемые по СНиП (по методу ЛДС или с k=0,5), представляются заниженными, что не позволяет признать результат такого расчета корректным. Указанный недостаток хорошо виден на рис.4.2.1.

В процессе проектирования фундамента вопросу соответствия фактической глубины сжимаемой толщи значениям, получающимся по расчетам, было уделено большое внимание.

В СНиП 2.02.01-83 [18] нижняя граница сжимаемой толщи устанавливается на глубине
z = Hc, на которой выполняется условие σzp = 0,2 σzg, где σzp и σzg — соответственно дополнительное вертикальное нормальное напряжение от фундамента и напряжение от собственного веса грунта на глубине z = Нс ниже подошвы фундамента на его вертикальной оси.

В СНиП 2.02.02-85 для гидротехнических сооружений также предлагается использовать модель упругого полупространства, но в связи с большой шириной гидротехнических сооружений вместо 0,2σzg принято 0,5σzg. Предложенный критерий ограничения сжимаемой толщи перешел в [20], который рекомендует для фундаментов шириной более 20 м использовать критерий 0,5σzg.

Таким образом, при расчете осадки по модели линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением величины сжимаемой толщи, в связи с действием обоих нормативных документов, допускается применять оба указанных выше коэффициента (0,5 и 0,2).

Рассмотренный выше критерий ограничения сжимаемой толщи по величине давления (напряжений), как наиболее широко распространенный, имеет и многочисленные вариации, в которых предлагается учитывать, например, капиллярное давление, общие геологические признаки и др.

Существуют также методы определения глубины сжимаемой толщи в зависимости от соотношения деформаций на ее границе, но они мало изучены и практически не применяются в строительстве.

Необходимо отметить, что ни один из известных методов не лишен недостатков. В одних значения сжимаемой толщи сильно завышены, в других — не зависят от давления на основание, глубины заложения фундамента и плотности грунта, в третьих — не зависят от ширины подошвы фундамента. В одинаковых условиях эти методы могут давать расхождения в значениях глубины сжимаемой толщи до 2...5 раз.

Логично предположить, что при величинах сжимаемой толщи, отличающихся более чем в 2 раза, будут получены значения осадок, также значительно отличающихся друг от друга. Поэтому, для высотных зданий, создающих давление на грунт свыше 1000 кПа, более достоверным представляется расчет осадки фундамента в современных расчетных комплексах (Plaxis, Abaqus, Ansys и др.) с использованием усовершенствованных моделей поведения грунта под нагрузкой (Hardening Soil, Hardening Soil Small Strain и др.), в которых влияние глубины сжимаемой толщи не так велико. В этих моделях имеется возможность учитывать особенности работы грунта, в том числе зависимость сжимаемости грунта от напряженного состояния и от уровня сдвиговой деформации, изменение модуля деформации с глубиной, коэффициент переуплотнения грунта (OCR) и др.

Как уже было сказано выше, при расчете осадки путем решения задачи теории упругости давление от фундамента передается на бесконечно большую глубину, нелинейно затухая по глубине, как видно на рис. 4.2.1.На рисунке отмечены границы сжимаемой толщи (Hc) для различных методов расчета: k=0,2 и k=0,5 – метод послойного суммирования с критериями ограничения сжимаемой толщи 0,2 и 0,5, ЛДС – метод линейно-деформированного слоя. Показаны линии природного давления грунта с коэффициентами 1, 0,5 и 0,2 для определения глубины сжимаемой толщи.

Известен факт, что при малых значениях относительной деформации грунт обладает существенно большей жесткостью (модуль деформации, модуль сдвига). Указанная зависимость показана на рис .4.2.2.

С глубиной дополнительные напряжения на основание затухают и составляют все меньшее значение относительно бытового давления. Так, при глубине заложении низа свай на отметке -80 м., величины дополнительного давления на отметках -100, -120 и -180 составляют 640, 540 и 200 кПа, что в свою очередь составляет 32, 23 и 6% соответственно от природного давления грунта.

При расчетах по простым (упругой, упругой идеально-пластической) моделям грунта, значение его жесткости принимается постоянным независимо от уровня напряжений и деформации, испытываемых единичным объемом грунта. Логично предположить, что при дополнительном давлении 5% уровень деформации грунта будет весьма мал, а его жесткость значительно больше, чем величины, получаемые в стандартных лабораторных испытаниях.

фундамент с переменной длиной свай 55…65 м, отметка низа свай -70…-80 м. Шаг свай переменный, в среднем 4,5 м, диаметр свай 1,5…2,0м. Вариант В является наиболее сложным с точки зрения проектирования и работы свай, может быть оптимизирован для экономии средств и является наиболее благоприятным с точки зрения работы конструкции здания. Свойства грунтов на площадке многофункционального комплекса «Лахта центр» существенно изменяются с глубиной, что создает необходимость особо тщательно исследовать поведение фундамента в котором приняты сваи разной длины. Неравномерность осадки по сравнению с вариантами А, В, Г – минимальная.

Выбор оптимального шага свай. Оценка чувствительности модели к различным расчетным факторам.

Процесс проектирования

Процесс проектирования свайного основания высотного здания во многом является итерационным. Многие расчетные параметры свайного основания, такие как распределение нагрузок на индивидуальные сваи, распределение нагрузки от верхнего строения на подземную часть здания, осадки фундамента в плане и по глубине, распределение усилий в сваях по глубине взаимосвязаны и сильно влияют друг на друга. При изменении одного параметра фундамента неизбежно изменятся и другие, при этом результат этих изменений известен лишь приблизительно и должен быть уточнен трудоемким пространственным расчетом. Как правило изменяется не один параметр фундамента, а несколько сразу, что еще более затрудняет анализ произошедших в характере работы фундамента изменений.

Широко известным и распространенным методом расчета свайных фундаментов является модель ячейки бесконечного в плане свайного основания. Расчеты по схеме свайной ячейки более детально описывают работу центральных свай в фундаментах большого размера в плане за счет меньшего размера конечных элементов и в тоже время существенно менее трудоемки. Меньшая трудоемкость позволяет изменять один параметр в одном расчете и тем самым изолировать влияние одного фактора от других.

Целью выполнения расчетов по схеме свайной ячейки было определение расчетной характеристики нагрузка-осадка для шага свай 1,5; 2,0; 2,5; 3; 4 и 5 диаметров. Кроме того, в настоящей работе были проведены расчеты, рассматривающие влияние следующих факторов на характеристику нагрузка-осадка свайной ячейки:

Все расчеты выполнялись для свай диаметром 2,0 м. Абсолютные величины осадок приведены условно, т.к. расчет выполнялся в предпосылке свайной цилиндрической ячейки, т.е. бесконечного свайного поля.

• влияние изменения прочностных характеристик в диапазоне 70…130% от фактических;

• влияние прочности контакта свая-грунт (в расчете моделировалось изменением прочности интерфейсных элементов);

• влияние модуля деформации бетона с учетом ползучести;

• влияние неоднородности деформационных характеристик основания.

На рисунке приведена характеристика нагрузка-осадка для свайных ячеек с шагом свай 3…10м, в диапазоне давления на ростверк 200…1500 кПа. По горизонтальной оси отложено давление, по вертикальной осадка, а шаг свай обозначен различными цветами. В дальнейшем, результаты приведенные на рис 4.5.1 будут рассматриваться как базовые при сравнении с остальными.

Следует отметить, что значения осадок, представленные на рис.4.5.2…4.5.7 следует анализировать с учетом того факта, что расчеты выполнялись в предпосылке свайной цилиндрической ячейки, т.е. бесконечного свайного поля. Другими словами, по результатам представленных расчетов следует оценивать качественные изменения в характере работы ячейки.

В таблице приведены отношения осадки свайной ячейки к значению осадки при шаге свай 3м. Из таблицы можно оценить, как изменяется осадка при увеличении расстояния между сваями. Видно, что при увеличении шага свай с 3 до 5 м, осадка ячейки изменяется всего на 10…12%, при увеличении шага с 5 до 6 м еще на 14…19%. Дальнейшее увеличение шага приводит к нелинейному возрастанию осадки, что говорит о переходе значительного объема грунта в область пластических деформаций. Кроме того, об этом свидетельствует и отношение осадки при максимальной нагрузке к осадке при минимальной нагрузке, при заданном шаге свай. В диапазоне шага свай 3…5м (1,5…2,5d) отношение осадок не превышает 1%, а при шагах от 6 до 10 м нелинейно увеличивается и составляет 4…20%.

• Назад
• Вперёд