Что такое отрицательное трение грунта

Моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ СИЛЫ ТРЕНИЯ / NEGATIVE FRICTION FORCES / МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / FINITE ELEMENT METHOD / СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ / PILE FOUNDATION / SOIL MASSIF / SUBSIDENCE OF SOIL / ГРУНТОВЫЙ МАССИВ / ПРОСАДКА ГРУНТА

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Акопян В.Ф., Кондрик И.В., Самсонов О.В.

В статье рассмотрено моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта основания свайного фундамента . Выполнен расчет различных вариантов расчетных схем по РСН. По результатам расчета выполнен анализ напряженного деформируемого-состояния грунтового массива, сделаны соответствующие выводы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Акопян В.Ф., Кондрик И.В., Самсонов О.В.

Моделирование работы свай при реализации просадки грунта
Использование эмали для снижения фрикционного взаимодействия свай с окружающим грунтом
Анализ взаимодействия плитного фундамента и грунта основания в виде коэффициента постели

Анализ проектов закрепления грунтовых оснований при строительстве зданий образовательных учреждений в Ростовской области

Проектирование ограждения котлована жилого дома в условиях плотной городской застройки в г. Ростове-на-Дону

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modeling of negative frictional forces in the implementation of subsidence properties

The article considers the modeling of negative frictional forces in the implementation of the subsidence properties of the foundation soil of the pile foundation. The calculation of various variants of design schemes for RSN has been performed. Based on the calculation results, the analysis of the stressed deformable state of the soil massif was made, the corresponding conclusions were drawn.

Текст научной работы на тему «Моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта»

Моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта

В.Ф.Акопян, И.В.Кондрик, О.В.Самсонов Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: в статье рассмотрено моделирование отрицательных сил трения при реализации просадочных свойств грунта основания свайного фундамента. Выполнен расчет различных вариантов расчетных схем по РСН. По результатам расчета выполнен анализ напряженного деформируемого-состояния грунтового массива, сделаны соответствующие выводы.

Ключевые слова: отрицательные силы трения, метод конечных элементов, свайный фундамент, грунтовый массив, просадка грунта.

Силами отрицательного трения называются направленные вертикально вниз силы, возникающие на боковой поверхности сваи при просадке околосвайного грунта. Характерной особенностью процесса возникновения отрицательных сил является то, что просадка грунта около сваи протекает значительно быстрее, чем осадка самой сваи от действия внешних нагрузок. При этом быстро проседающая грунтовая масса за счет сил трения создает дополнительную нагрузку на сваю вдобавок ко всем внешним нагрузкам [1, 2, 4, 5]. При небольшом запасе несущей способности сваи это может привести к его дефициту и дополнительным значительным осадкам свайного фундамента, нередко превышающим предельно допустимые значения. Поэтому следует обязательно учитывать отрицательное трение грунта, во избежание негативных последствий, оказываемых на сооружение сверхнормативными перемещениями свайного фундамента, проектируемого на основании из просадочных грунтов [6,7].

В качестве объекта исследования принят абстрактный массив грунта до погружения в него свайного фундамента и после погружения. Просадка происходит от собственного веса. Численное моделирование для оценки

напряженно-деформируемого состояния грунта выполнено в конечно-элементном программном комплексе ЛИРА 10.6 [9, 10].

Расчет производился по РСН, по двум сочетаниям нагрузок. В процессе расчета было замоделировано 2 загружения:

Загружение 1 — собственный вес грунтового массива Загружение 2 — внешняя нагрузка, приложенная к ростверку свайного фундамента.

В первом сочетании учитывалось влияние только первого загружения. Во втором сочетании учитываются оба загружения. Коэффициенты для расчета по РСН отображены в таблице № 1.

Коэффициенты для РСН

Сочет ание Загру жение Имя загружения Коэф .к загр. Коэф .к расч. Коэф .к норм До ля дл. Итог. коэ ф.к расч. Итог. коэф. к расч.дл.де йст. Итог.коэ ф.к норм. Итог.коэф. к норм. дл. де йст.

1 1 Собственный вес грунта 0.47 1 1 1 0.47 0.47 0.47 0.47

2 1 Собственный вес грунта 0.47 1 1 1 0.47 0.47 0.47 0.47

2 Внешняя нагрузка 1 1 1 1 1 1 1 1

Первоначально рассмотрена расчетная схема грунтового массива без свайного фундамента (рис. 1, а). Зафиксировав модуль общей деформации, подобрано такое значение объемного веса, при котором просадка от собственного веса грунта уравнивается с деформациями грунтового массива, полученными с помощью аналитических расчетов [3].

Напряженно-деформируемое состояние грунтового массива значительно изменяется после устройства свайного фундамента (рис. 1, б). Грунт, проседая от собственного веса, начинает обвисать на сваях [8].

Проявляется явление, схожее с силами отрицательного трения. Далее на существующий фундамент прикладывается дополнительная внешняя нагрузка, что влечет за собой увеличение осадки фундамента совместно с увеличением просадки грунта около боковой поверхности свай (рис. 1, в).

Рис. 1 — Расчетные схемы: а — грунт без свай, б — грунт со сваями, без дополнительной внешней нагрузки, в — грунт со сваями с дополнительной

внешней нагрузкой на ростверк

Эпюры распределения перемещений вдоль оси Ъ и эпюры распределения продольных усилий М в толще грунта показаны на рис. 3 и 4 соответственно. Из рис. 3 и 4 наглядно видно, что в пустой грунтовой толще просадка грунта значительно больше, чем в толще со сваями. Это обусловлено появлением отрицательных сил трения в верхней части грунтового массива около боковой поверхности свай, которые уменьшают просадку грунта от собственного веса.

-168__- 34 -101 -83.8 -75.5 -67.2 -59.» -49.4 -41 Д7.833.6-28.е5 .817.9-1 Эт10.2 -5.04- О

2. Сочетание ‘Пользовательское сочетание

Рис. 2 — Изополя вертикальных перемещений относительно оси Ъ

Рис. 3 — Изополя продольных сил Ку Вывод: результаты выполненного расчета показывают, что устройство свайного фундамента значительно замедляет и понижает реализацию просадочных свойств грунта вследствие возникновения отрицательных сил трения у боковых поверхностей свай.

1. Акопян В. Ф. Моделирование несущей способности ввинчиваемых свай // Известия Ростовского государственного строительного университета. — 2010. № 14. С. 308-308.

2. Акопян В. Ф. и др. Новые виды свай // Инженерный вестник Дона, 2011, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2011/437.

3. Акопян В. Ф. Испытания моделей винтовых свай //Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/620.

4. Панасюк Л. Н. и др. Монолитная и сборно-монолитная разновидности винтовой сваи АКСИС // Инженерный вестник Дона, 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1241.

5. Зотова Е. В., Хо Ч., Акопян В. Ф. Определение влияния вспомогательного ростверка на несущую способность сваи усиления цокольного здания с учетом неравномерной осадки в г. Белово Кемеровской области // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1706/.

6. Акопян В. Ф., Четвериков А. Л., Конопацкий С. А. Экспериментально-теоретическое обоснование возможности использования ввинчиваемых свай в качестве армоэлементов // Перспективы науки. — 2012. — №. 2. — С. 67-69.

7. Акопян В.Ф. Армирование грунтового массива винтовыми бетонными элементами АКСИС // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении: материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. — с. 370-374.

8. Акопян В. Ф., Акопян А. Ф., Должиков П.Н. Полевые испытания грунтов винтовыми сваями повышенной несущей способности// «Строительство-2015»: материалы Международной научно-практической конференции. — Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2015. — 427-428 с.

9. A. Prokopov, V. Matua, V. Akopyan Monitoring of the Geotechnical State of the Array During the Reconstruction of the Roki Tunnel // Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp. 2255-2260.

10. V. Akopyan, A. Akopyan Experimental and Theoretical Investigation of the Interaction of the Reinforced Concrete Screw Piles with the Surrounding Soil// Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp. 2202-2207.

1. Akopyan V. F. Izvestiya Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel’nogo universiteta. 2010. №. 14. рр. 308-308.

2. Akopyan V. F. i dr. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2011/437.

3. Akopyan V. F. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/620.

4. Panasyuk L. N. i dr. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1241.

5. Zotova E. V., Kho Ch., Akopyan V. F. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1706/.

6. Akopyan V. F., Chetverikov A. L., Konopatskiy S. A. Perspektivy nauki. 2012. №. 2. рр. 67-69.

7. Akopyan V.F. Armirovanie gruntovogo massiva vintovymi betonnymi elementami AKSIS [Reinforcement of the soil mass with screw concrete elements AKSIS]. Novocherkassk: YRGTU, 2012. pp. 370-374.

8. Akopyan V. F., Akopyan A. F., Dolzhikov P.N. Polevye ispytaniya gruntov vintovymi svayami povyshennoy nesushchey sposobnosti [Field testing of soils with screw piles of increased bearing capacity]. Rostov n.D: Rost. gos. stroit. un-t, 2015. pp 427-428.

9. A. Prokopov, V. Matua, V. Akopyan. Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp. 2255-2260.

10. V. Akopyan, A. Akopyan Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp. 2202-2207.

3. Явление отрицательного трения

При возведении зданий на фундаментах мелкого заложения могут возникнуть значительные неравномерные осадки вблизи стоящих зданий, построенных на свайных фундаментах. Это происходит вследствие развития отрицательного трения между сваей и окружающим грунтом (рис. 2.4).

Висячие сваи, работающие за счет сил трения, часть нагрузки от сооружения передают на грунт через боковую поверхность. При этом силы трения f , развивающиеся по боковой поверхности сваи, направлены вверх. По мере возведения соседнего здания на фундаментах мелкого заложения грунты, уплотняясь, получают вертикальные перемещения вниз не только непосредственно под новыми фундаментами, но и на соседних участках, в том числе и вблизи существующих свай, На этих участках грунт будет стремиться переместиться вниз относительно сваи (см. рис. 2.4, область а), трение сваи о грунт будет снято, и все давление от сооружения в этой области будет передаваться через нижнюю часть сваи. При дальнейшем перемещении окружающего грунта вниз свая получает дополнительную загрузку силой, направленной вниз, — отрицательно направленным трением грунта о сваю f_n (см. рис. 2.4, область а). Это может привести к развитию значительных неравномерных осадок свай s_s в области а, особенно когда ниже острия свай залегают недостаточно плотные грунты, способные уплотняться под действием напряжений, возникающих от увеличения нагрузки, передаваемой сваями вследствие давления от нового здания [6].

Рис. 2.4. Деформация здания на висячих сваях при возведении вблизи него здания на фундаментной плите
1 — здание на сваях; 2 — здание на плите, 3 — слабые грунты; 4 — уплотняющиеся грунты

Следовательно, необходимо оценивать дополнительную неравномерную осадку свайного фундамента, возникающую от действия дополнительных напряжений при возведении нового здания, от изменения условий передачи давления за счет уменьшения сопротивления грунта по боковой поверхности свай и увеличения давления, передаваемого их остриями, а также от отрицательного трения [6]. Величину каждого из этих слагаемых трудно оценить, поэтому нужно стремиться исключить возможность дополнительной загрузки свай.

Если сваи заглублены в плотный грунт не менее чем на 3—4 диаметра поперечного сечения и имеют некоторый запас несущей способности, то значительных дополнительных осадок от действия отрицательного трения, как правило, не может быть [6].

Далматов Б.И. Проектирование и устройство фундаментов около существующих зданий

4. Деформации зданий на свайных фундаментах при разработке вблизи них котлованов

При разработке котлована в непосредственной близости от свайных фундаментов существующих зданий и сооружений на глубину ниже отметки заложения ростверка возможно оголение свай и сползание (вывалы, обрушение) грунта из межсвайного пространства, что может вызвать:

• уменьшение несущей способности свай и как следствие дополнительную неравномерную осадку сооружения;
• наклон свай под действием горизонтальных сил, разрушение или повреждение балок ростверка;
• разрушение полов по грунту на участках примыкания;
• повреждение вводов и выпусков коммуникаций и другие отрицательные явления.

Поэтому при разработке проекта производства работ в указанных условиях необходимо детально продумать вопрос о последовательности строительства.

Сотников С.Н. Проектирование и возведение фундаментов вблизи существующих сооружений

Что такое отрицательное трение грунта

Имеется такой геологический разрез:

• 1 слой — проектируемый насыпной грунт 5,6 м,
• 2 слой — торф 2 м,
• 3 слой — песок мелкий водонасыщенный.

Для учета отрицательного трения см. СП 24.13330.2011 п.7.2.12.

Согласно данного пункта сила отрицательного трения от насыпного грунта считается по значениям f_i из таблицы 7.3 по всей высоте насыпного грунта (5,6 м).

Или данный пункт мы понимаем неправильно и надо считать так:

• до 2 м насыпи — не учитываем,
• с 2 до 5 м — 0,4f_i,
• с 5 до 5,6 м — f_i.

Как учесть силу отрицательного трения от насыпного грунта при данном геологическом разрезе?

1. Второй абзац пункта 7.2.12 свода правил СП 24.13330.2011 «СНиП 2.02.03-85. Актуализированная редакция. Свайные фундаменты») гласит:

«Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта fi, расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, следует принимать:

а) при подсыпках высотой менее 2 м для грунтовой подсыпки и слоев торфа — равным нулю, для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения — положительным значениям по таблице 7.3;

б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м для грунтов, включая подсыпку, равным 0,4 значений, указанных в таблице 7.3, но со знаком «минус», а для торфа — минус 5 кПа (отрицательные силы трения);

в) при подсыпках высотой более 5 м для грунтов, включая подсыпку, равным значениям, указанным в таблице 7.3, но со знаком «минус», а для торфа — минус 5 кПа.»

Таким образом, для геологического разреза, характеристики которого приведены в вопросе, в расчёт необходимо включать расчётные сопротивления грунтов 1-го (насыпной грунт) и 2-го слоя (торф) согласно пункту в).

2. Методика расчёта сил отрицательного трения, содержится в следующих документах:

• Руководство по проектированию свайных фундаментов — пункты 5.14 и 5.15, примеры расчёта № 19 и № 20. При использовании «Руководства. » целесообразно учесть критические замечания и дополнения, изложенные в статье журнала «Научные итоги года: достижения, проекты, гипотезы» № 5, 2015г. (Звездин В.Н., Варфоломеев Ю.А., Казеко А.Н «Об идентификации примеров расчёта свайных фундаментов при строительстве на заторфованных территориях Арктической зоны»).
• Более подробно и доступно аналогичная методика расчёта сил отрицательного трения с примером изложена в пособии к СНБ 5.01.01-99 (Республика Беларусь) «Проектирование забивных свай П4-2000».

Используемые нормативные источники

• СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты
• Руководство по проектированию свайных фундаментов

СНиП 2.02.03-85 (2003) СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ — Учет отрицательных (негативных) сил трения грунта на боковой поверхности свай

УЧЕТ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ (НЕГАТИВНЫХ) СИЛ ТРЕНИЯ ГРУНТА НА БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВАЙ

4.11. Отрицательные (негативные) силы трения, возникающие на боковой поверхности свай при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз, следует учитывать в случаях:

планировки территории подсыпкой толщиной более 1,0 м;

загрузки пола складов полезной нагрузкой более 20 кН/м 2 (2 тс/м 2 );

загрузки пола около фундаментов полезной нагрузкой от оборудования более 100 кН/м 2 (10 тс/м 2 );

увеличения эффективных напряжений в грунте за счет снятия взвешивающего действия воды при понижении уровня подземных вод;

незавершенной консолидации грунтов современных и техногенных отложений;

уплотнения несвязных грунтов при динамических воздействиях;

просадки грунтов при замачивании.

Примечание. Учет отрицательных сил трения, возникающих в просадочных грунтах, следует производить в соответствии с требованиями разд. 3.

4.12. Отрицательные силы трения учитываются до глубины, на которой значение осадки околосвайного грунта после возведения и загрузки свайного фундамента превышает половину предельного значения осадки фундамента. Расчетные сопротивления грунта f_i принимаются по табл. 2 со знаком «минус», а для торфа, ила, сапропеля — минус 5 кПа (0,5 тс/м 2 ).

Если в пределах длины погруженной части сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна планировка территории подсыпкой или иная ее загрузка, эквивалентная подсыпке, то расчетное сопротивление грунта f_i, расположенного выше подошвы наинизшего (в пределах длины погруженной части сваи) слоя торфа, следует принимать:

а) при подсыпках высотой менее 2 м — для грунтовой подсыпки и слоев торфа — равным нулю, для минеральных ненасыпных грунтов природного сложения — положительным значениям по табл.2;

б) при подсыпках высотой от 2 до 5 м — для грунтов, включая подсыпку, — равным 0,4 значений, указанных в табл. 2, но со знаком «минус», а для торфа — минус 5 кПа (0,5 тс/м 2 ) (отрицательные силы трения);

в) при подсыпках высотой более 5 м — для грунтов, включая подсыпку, — равным значениям, указанным в табл. 2, но со знаком «минус», а для торфа — минус 5 кПа (0,5 тс/м 2 ).

В пределах нижней части свай, где осадка околосвайного грунта после возведения и загрузки свайного фундамента менее половины предельного значения осадки свайного фундамента, расчетные сопротивления грунта f_i следует принимать положительными по. табл. 2, а для торфа, ила, сапропеля — равными 5 кПа (0,5 тс/м 2 ).

4.13. В случае, когда консолидация грунта от подсыпки или пригрузки территории к моменту начала возведения надземной части зданий или сооружений (включая свайный ростверк) завершилась или возможное значение осадки грунта, окружающего сваи, после указанного момента в результате остаточной консолидации не будет превышать половины предельного значения осадки для проектируемого здания или сооружения, сопротивление грунта на боковой поверхности сваи допускается принимать положительным вне зависимости от наличия или отсутствия прослоек торфа. Для прослоек торфа значение f_i следует принимать равным 5 кПа (0,5 тс/м 2 ).

Если известны значения коэффициентов консолидации и модуля деформации торфов, залегающих в пределах длины погруженной части сваи, и возможно определение значения осадки основания от воздействия пригрузки территории для каждого слоя грунта, то при определении несущей способности сваи допускается учитывать силы сопротивления грунта с отрицательным знаком (отрицательные силы трения) не от уровня подошвы нижнего слоя торфа, а начиная от верхнего уровня слоя грунта, значение дополнительной осадки которого от пригрузки территории (определенной начиная с момента передачи на сваю расчетной нагрузки) составляет половину предельного значения осадки для проектируемого здания или сооружения.