Моделирование статически нагруженной одиночной сваи с учетом нелинейности грунта оснований

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. 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. 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. 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.

1. Konyushkov 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: 10.23968/2500-0055-2020-5-1-36-44

2. Купчикова 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Ширяева М.П., Кривонос Е.А. Классификация моделей грунтового основания // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КУБГТУ». 2014. № 3. С. 18–25. EDN TGILJV.

8. 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.

9. 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: 10.22363/1815-5235-2020-16-3-209-218

10. 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.

11. 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_15

12. Ishibashi 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/SANDF1972.33.182

13. Katzenbach R., Choudhury D. ISSMGE Combined Pile-Raft Foundation Guideline. Germany : Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2013. Pp. 1–23.

14. 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.

15. 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.

16. 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/ajgeb6.0000727

17. Wang G., Sitar N. Numerical analysis of piles in elasto-plastic soils under axial loading // 17th ASCE Engineering Mechanics Conference. 2004.

18. 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.

19. 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.

20. 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: 10.1080/14786430500321203

21. Харичкин А.И. Моделирование статического нагружения свайной группы с различными условиями расположения свай // Вестник НИЦ «Строительство». 2019. № 1 (20). С. 113–119. EDN VTBFNK.

22. 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.