mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2023.9.1383-1393mgssuvest-47Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresМоделирование статически нагруженной одиночной сваи с учетом нелинейности грунта основанийModelling of statically loaded single pile taking into account nonlinearity of foundation soilhttps://orcid.org/0000-0003-2872-0723ШколярФ. С.ShkoliarF. S.

Филипп Сергеевич Школяр — кандидат технических наук, доцент

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

ResearcherID: GLR-0652-2022

Filipp S. Shkoliar — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

29 Politekhnicheskaya st., St. Petersburg, 195251

ResearcherID: GLR-0652-2022

shkolyar.fs@gmail.comРогозинниковаД. В.RogozinnikovaD. V.

Дарья Владимировна Рогозинникова — студентка

195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

Darya V. Rogozinnikova — student

29 Politekhnicheskaya st., St. Petersburg, 195251

dar2504@yandex.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)РоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU)Russian Federation20232909202318913831393Copyright © Школяр Ф.С., Рогозинникова Д.В., 20232023Школяр Ф.С., Рогозинникова Д.В.Shkoliar F.S., Rogozinnikova D.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/47Введение

Введение. Моделирование работы свайных фундаментов в современных программных комплексах (ПК) зачастую проводится в линейной постановке задачи и с применением коэффициентов, завышающих в несколько раз результаты осадок свайных фундаментов. Такой подход приводит к значительному перерасходу материалов и завышению сметной стоимости строящегося объекта. В современных реалиях проектировщики сталкиваются с проблемой моделирования расчетной ситуации, наиболее приближенной к реальной работе сваи в грунте, а поскольку грунт основания — неоднородная среда, расчет должен выполняться нелинейно, что трудоемко в ПК. Осуществляется численное сравнение натурных испытаний одиночной сваи под статической нагрузкой и расчет в ПК с учетом нелинейности грунтов основания.

Материалы и методы

Материалы и методы. Расчеты проводятся в конечно-элементном ПК ЛИРА-САПР при помощи моделирования расчетной схемы объемными конечными элементами. Анализируется изменение осадки свай в различных грунтах при ступенчатой нагрузке.

Результаты

Результаты. Произведен численный эксперимент изменения осадки одиночной сваи с использованием объемной конечно-элементной модели с заданной физической нелинейностью грунта. Выполнено сравнение полученных результатов проведенного численного эксперимента с результатами натурного эксперимента.

Выводы

Выводы. Результаты исследования показывают большое расхождение между осадками свай по натурным испытаниям и результатам расчетов по СП 24.13330.2021. При помощи современных ПК существует возможность проведения более точных расчетов. Однако введение поправочных коэффициентов может приблизить расчетную ситуацию в соответствии с нормативными документами к более реальным условиям деформирования грунтов оснований в процессе предварительного выбора.

Introduction

Introduction. Modelling of pile foundations in modern software packages (PC) is often carried out in a linear formulation of the problem and with the use of coefficients that overestimate the results of pile foundations by several times. This approach leads to significant overconsumption of materials and overestimation of the estimated cost of the object under construction. In modern realities, designers are faced with the problem of modelling the design situation, which is closest to the real operation of the pile in the ground, and since the foundation soil is a heterogeneous medium, the calculation must be carried out non–linearly, which is quite time-consuming in software packages. A numerical comparison of full-scale tests of a single pile under static load and calculation in a software package, taking into account the nonlinearity of the foundation soils, is carried out.

Materials and methods

Materials and methods. The calculations are carried out in the finite element software package LIRA-CAD by modelling the design scheme with volumetric finite elements. The change in the settlement of piles in different soils under step load is analyzed.

Results

Results. Numerical experiment of change in the settlement of a single pile using a volumetric finite element model with a given physical nonlinearity of the soil was performed. The obtained results of the numerical experiment are compared with the results of the full-scale experiment.

Conclusions

Conclusions. The results of the study show a large discrepancy between the settlements of piles according to field tests and the results of calculations according to SP 24.13330.2021. With the help of modern software packages, it is possible to carry out more accurate calculations. However, the introduction of correction coefficients can bring the calculated situation according to regulatory documents closer to more real conditions of deformation of the foundation soils in the process of preliminary selection.

одиночная сваяосадкажесткостьоснованиеконечный элементхарактеристики грунтанапряженно-деформированное состояниеsingle pilesettlementstiffnessfoundationfinite elementsoil characteristicsstress-strain stateReferencesKonyushkov V.V., Le V.T. Side friction of sandy and clay soils and their resistance under the toe of deep bored piles // Architecture and Engineering. 2020. Vol. 5. Issue 1. Pр. 36–44. DOI: 10.23968/2500-0055-2020-5-1-36-44Konyushkov V.V., Le V.T. Side friction of sandy and clay soils and their resistance under the toe of deep bored piles. Architecture and Engineering. 2020; 5(1):36-44. DOI: 10.23968/2500-0055-2020-5-1-36-44Купчикова Н.В., Алёхин В.С. Анализ деформационно-прочностных характеристик буронабивных микросвай с концевым уширением из щебня // Перспективы развития строительного комплекса. 2017. № 1. С. 158–162. EDN ZOFUHN.Kupchikova N.V., Alyokhin V.S. Analysis of the deformation and strength characteristics of bored micro-piles with terminal expansion of crushed stone. Prospects for the Development of the Construction Complex. 2017; 1:158-162. EDN ZOFUHN. (rus.).Егорова Е.С., Иоскевич А.В., Агишев К.Н., Кожевников В.Ю. Модели грунтов, реализованные в программных комплексах SCAD Office и Plaxis 3D // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 3 (42). С. 31–60. EDN VSYFHT.Egorova E.S., Ioskevich A.V., Ioskevich V.V., Agishev K.N., Kozhevnikov K.V. Soil model implemented in the software packages SCAD Office and Plaxis 3D. Construction of Unique Buildings and Structures. 2016; 3(42):31-60. EDN VSYFHT. (rus.).Мангушев Р.А., Сахаров И.И., Конюшков В.В., Ланько С.В. Сравнительный анализ численного моделирования системы «здание-фундамент-основание» в программных комплексах SCAD и PLAXIS // Вестник гражданских инженеров. 2013. № 3 (24). С. 96–101. EDN NDVKMZ.Mangushev R.A., Sakharov I.I., Konyushkov V.V., Lan’ko S.V. Comparative analysis of computational modeling of the system “building-foundation-base” in the soft ware packages SCAD and PLAXIS. Bulletin of Civil Engineers. 2013; 3(24):96-101. EDN NDVKMZ. (rus.).Белов В.В., Болдырев Ю.Я., Романов С.В., Шанина А.С. Опыт применения математического моделирования грунтовых оснований зданий и сооружений // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2010. № 5 (108). С. 103–109. EDN MVXAZD.Belov V.V., Boldyrev Yu.Ya., Romanov S.V., Shanina A.S. Experience in applying mathematical modeling of ground foundations of buildings and structures. St. Petersburg Polytechnical University Journal. Computer Science. Telecommunication and Control Systems. 2010; 5(108):103-109. EDN MVXAZD. (rus.).Соколова О.В. Подбор параметров грунтовых моделей в программном комплексе Plaxis 2D // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 4 (48). С. 10–16. DOI: 10.5862/MCE.48.2 EDN SFOUPH.Sokolova O.V. The selection of soil models parameters in Plaxis 2D. Magazine of Civil Engineering. 2014; 4(48):10-16. DOI: 10.5862/MCE.48.2. EDN SFOUPH. (rus.).Ширяева М.П., Кривонос Е.А. Классификация моделей грунтового основания // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КУБГТУ». 2014. № 3. С. 18–25. EDN TGILJV.Shiryaeva M.P., Krivonos E.A. Classification of soil foundation models. Electronic network polythematic journal “Scientific works of KUBSTU”. 2014; 3:18-25. EDN TGILJV.Кургузов К.В., Фоменко И.К. Основополагающие математические модели грунтов в практике геотехнического моделирования. Обзор // Естественные и технические науки. 2019. № 5 (131). С. 240–247. DOI: 10.25633/ETN.2019.05.04 EDN KGJTQF.Kurguzov K.V., Fomenko I.K. Constitutive mathematical soil models in geotechnical practice. Review. Natural and Technical Sciences. 2019; 5(131):240-247. DOI: 10.25633/ETN.2019.05.04. EDN KGJTQF. (rus.).Колесников А.О., Попов В.Н., Костюк Т.Н. Оценка взаимного влияния свай при вертикальных колебаниях фундамента // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2020. Т. 16. № 3. С. 209–218. DOI: 10.22363/1815-5235-2020-16-3-209-218Kolesnikov A.O., Popov V.N., Kostiuk T.N. Evaluation of the pile interaction at vertical vibrations of foundation. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020; 16(3):209-218. DOI: 10.22363/1815-5235-2020-16-3-209-218 (rus.).Das S.K., Manna B., Baidya D.K. Prediction of pile-separation length under vertical vibration using ANN // 14th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2011.Das S.K., Manna B., Baidya D.K. Prediction of pile-separation length under vertical vibration using ANN. 14th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2011.Holeyman A., Whenham V. Axial non-linear dynamic soil-pile interaction // Springer Proceedings in Physics. 2015. Pp. 305–333. DOI: 10.1007/978-3-319-19851-4_15Holeyman A., Whenham V. Axial non-linear dynamic soil-pile interaction. Springer Proceedings in Physics. 2015; 305-333. DOI: 10.1007/978-3-319-19851-4_15Ishibashi I., Zhang X. Unified dynamic shear moduli and damping ratios of sand and clay // Soils and Foundations. 1993. Vol. 33. Issue 1. Pp. 182–191. DOI: 10.3208/SANDF1972.33.182Ishibashi I., Zhang X. Unified dynamic shear moduli and damping ratios of sand and clay. Soils and Foundations. 1993; 33(1):182-191. DOI: 10.3208/SANDF1972.33.182Katzenbach R., Choudhury D. ISSMGE Combined Pile-Raft Foundation Guideline. Germany : Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2013. Pp. 1–23.Katzenbach R., Choudhury D. ISSMGE Combined Pile-Raft Foundation Guideline. Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2013; 1-23.Bokov I.A., Fedorovsky I.A. Calculation of the settlement of pile foundations containing piles of various lengths and diameters by the interaction factors method // Proceedings of The XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019.Bokov I.A., Fedorovsky I.A. Calculation of the settlement of pile foundations containing piles of various lengths and diameters by the interaction factors method. Proceedings of The XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019.Van Impe W.F., De Clerq Y. A piled raft interaction model // Proceedings of 5th International Conference on Piling and Deep Foundations. Bruges, Balkema, Rotterdam.Van Impe W.F., De Clerq Y. A piled raft interaction model. Proc. 5th Int. Conf. on Piling and Deep Foundations. Bruges, Balkema, Rotterdam.Idriss I.M., Dobry R., Singh R.D. Nonlinear behavior of soft clays during cyclic loading // Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1978. Vol. 104. Issue 12. Pp. 1427–1447. DOI: 10.1061/ajgeb6.0000727Idriss I.M., Dobry R., Singh R.D. Nonlinear behavior of soft clays during cyclic loading. Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1978; 104(12):1427-1447. DOI: 10.1061/ajgeb6.0000727Wang G., Sitar N. Numerical analysis of piles in elasto-plastic soils under axial loading // 17th ASCE Engineering Mechanics Conference. 2004.Wang G., Sitar N. Numerical analysis of piles in elasto-plastic soils under axial loading. 17th ASCE Engineering Mechanics Conference. 2004.Geuse E.C.W.A., Tjong-Kie T. The mechanical behaviors of clays // Proceedings of the International Congress on Rheology. London, 1954. Pp. 247–259.Geuse E.C.W.A., Tjong-Kie T. The mechanical behaviors of clays. Proceedings of the International Congress on Rheology. London, 1954; 247-259.Henkel D.J. Investigation of two long-term failures in London clay slopes at Wood Green and Northolt // Proceedings 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (London). 1957. Vol. 2. Pp. 315–320.Henkel D.J. Investigation of two long-term failures in London clay slopes at Wood Green and Northolt. Proceedings 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (London). 1957; 2:315-320.Higo Y., Oka F., Kodaka T., Kimoto S. Three-dimensional strain localization of water-saturated clay and numerical simulation using an elasto-viscoplastic model // Philosophical Magazine. 2006. Vol. 86. Issue 21–22. Pp. 3205–3240. DOI: 10.1080/14786430500321203Higo Y., Oka F., Kodaka T., Kimoto S. Three-dimensional strain localization of water-saturated clay and numerical simulation using an elasto-viscoplastic model. Philosophical Magazine. 2006; 86(21-22):3205-3240. DOI: 10.1080/14786430500321203Харичкин А.И. Моделирование статического нагружения свайной группы с различными условиями расположения свай // Вестник НИЦ «Строительство». 2019. № 1 (20). С. 113–119. EDN VTBFNK.Kharichkin A. Numerical analysis of static loading pile groups with different conditions of pile location in group. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2019; 1(20):113-119. EDN VTBFNK. (rus.).Школяр Ф.С., Тяпкина П.А. Сравнение методов расчета осадки свайного фундамента // Неделя науки ИСИ : сб. мат. Всерос. конф. 2022. С. 281–283. EDN IPJAFV.Shkolyar F.S., Tyapkina P.A. Comparison of methods for calculating the precipitation of a pile foundation. Week of Science ISI: collection of materials of the All-Russian Conference. 2022; 281-283. EDN IPJAFV. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.