87. Модуль Грунт. Расчет несущей способности сваи Fd с учетом сейсмического воздействия. Верификационный тест.

В рамках данной статьи рассмотрим модуль «Грунт» и выполним сравнение двух методов расчета несущей способности сваи F_d с учетом сейсмического воздействия: аналитического (ручного) расчета и с применением ПК ЛИРА 10 (модуль «Грунт»).

Модуль «Грунт»

Модуль «Грунт» в ПК ЛИРА 10 предназначен для вычисления коэффициентов постели грунтового основания, вычисления жесткостных характеристик свайных оснований, определения несущей способности свай по грунту с помощью задания и редактирования параметров геологических условий площадок строительства.

Основные возможности:

• Моделирование грунтового основания;

• Расчет коэффициентов постели;

• Многовариантные расчеты коэффициентов постели;

• Расчет свайных фундаментов;

• Расчет осадок;

• Анализ напряжений и деформаций;

• Автоматическая передача данных;

• Интеграция с ПК ЛИРА 10;

• Импорт данных (штамповые нагрузки);

Расчет несущей способности сваи F_d с учетом сейсмического воздействия. Верификационный тест.

Цель:

Верификация численной модели определения несущей способности сваи (F_d) в сейсмических условиях посредством сравнения с аналитическим расчетом.

Рисунок 1. Геологический разрез

Формулировка задачи:

В дополнение к задаче, описанной в заметке №84, рассматривается расчетная модель сваи с жестким сопряжением с ростверком. Конструкция проходит через два инженерно-геологических элемента (ИГЭ) и воспринимает комбинированную нагрузку, включающую вертикальную силу N, поперечную силу Q и изгибающий момент M, с учетом сейсмического воздействия. Необходимо выполнить расчет несущей способности сваи и определить коэффициент использования по значению F_d.

Исходные данные для аналитического расчета:

Количество слоев:

• Количество слоев k = 2;

Параметры слоя 1:

• Толщина слоя 1 h₁ = 2,25 м;

• Расчетный удельный вес грунта слоя 1 g₁ = 18,1423 кН/м 3;

• Показатель текучести грунта слоя 1 I_L1 = 0,17;

• Коэффициент пористости слоя 1 e₁ = 0,85;

• Глубина погружения верха слоя 1 от уровня планировки z_1,0 = 3,25 м;

Параметры слоя 2:

• Толщина слоя 2 h₂ = 4,5 м;

• Расчетный удельный вес грунта слоя 2 g₂ = 18,33844 кН/м 3;

• Показатель текучести грунта слоя 2 I_L2 = -0,1;

• Коэффициент пористости слоя 2 e₂ = 0,79;

Параметры грунта под нижним концом сваи:

• Показатель текучести грунта под нижним концом сваи I_L=0;

Параметры сваи:

• Свая одиночная без уширения, висячая, буровая, сплошного круглого сечения.

• Длина сваи

• Диаметр или сторона поперечного сечения сваи d = 0,6 м;

Нагрузка:

• Нагрузка – сжимающая;

• Расчетное значение вертикальной нагрузки на голову сваи:
  
  

• Нагрузка от собственного веса сваи – включена в состав заданной нагрузки.

• Расчетное значение горизонтальной нагрузки на голову сваи:
  Q = 50 кН

• Расчетное значение изгибающего момента на голову сваи:
  M = 10 кН * м

• Расчетное значение сейсмического воздействия:
  8 баллов

Определяем по формуле (12.1) п. п. 12.7[1] значение расчетной глубины hd:

где a1, a2, a3 - безразмерные коэффициенты, равные соответственно 1,2; 1,2 и 0 – при жесткой заделке сваи в низкий ростверк;

При определении расчетной глубины hd по формуле (12.1) [1] следует принимать значения расчетного угла внутреннего трения j₁ по п. 12.8 [1]

a_z - коэффициент деформации, 1/м, определяемый по формуле (Б.3) [1];

Значение коэффициента пропорциональности К, которое определяется в соответствии с п. Д.2 таблица Д.1 [3] зависит от типа сваи и грунта, окружающего сваю, и их характеристик.

Результаты расчета:

1. Расчет средних глубин расположения слоев:
   

   Глубина погружения слоя 1:
   
   

   Глубина погружения слоя 2:
   
   

   Глубина погружения нижнего конца сваи:
   
   

   Глубина заложения нижнего конца сваи от природного рельефа или уровня планировки (при планировке срезкой):
   h = z = 10 м.

2. Определение коэффициентов:

   Грунты под нижним концом сваи являются пылевато-глинистыми со степенью влажности грунта Sr менее 0,85.

   Тогда согласно п. п. 7.2.10 [1] коэффициент условия работы сваи в грунте:

   y_c = 0,8

   Вид грунта под нижним концом сваи – глина.

   Вид свай – 3.а) Буровые, бетонируемые при отсутствии воды в скважине (сухим способом) и при использовании обсадных инвентарных труб, а также при выполнении их методом непрерывно перемещающегося шнека.

   Тогда коэффициент условия работы грунта на боковой поверхности сваи принимается по табл. 7.6 [1]:

   y_R,f = 0,6

   Коэффициент условия работы грунта под нижним концом сваи согласно п. п. 7.2.10 [1]:

   y_R,R = 1

3. Определение характеристик сечения:

   Расчетный периметр поверхности сваи:
   
   

   Площадь опирания на грунт:
   
   

4. Определение расчетного сопротивления грунта под нижним концом сваи:

   Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи принимается по табл. 7.8 [1] в зависимости от z и I_L, а также с учетом коэффициента g_eq1 п. 12.6 [1]:

   R = 1350 * 0,95 = 1282,5 кПа

5. Определение характеристик грунта на боковой поверхности сваи:

   Грунты слоя 1 – пылевато-глинистые, вид грунта – глина.

   Расчетное сопротивление грунта слоя 1 на боковой поверхности сваи принимается по табл. 7.3 [1] в зависимости от z₁ и I_L1 по линейной интерполяции, а также с учетом коэффициента g_eq2 п. 12.6 [1]:

   f₁ = 56,073 * 0,7 = 39,2511 кПа

   Коэффициент условия работы грунта слоя 1 на боковой поверхности сваи принимается по табл. 7.6 [1]:

   y_R,f1 = 0,6

   Грунты слоя 2 – пылевато-глинистые, вид грунта – глина.

   Расчетное сопротивление грунта слоя 2 на боковой поверхности сваи принимается по табл. 7.3 [1] в зависимости от z₂ и I_L2 по линейной интерполяции, а также с учетом коэффициента g_eq2 п. 12.6 [1]:

   f₂ = 61,5 * 0,8 = 49,2

   Коэффициент условия работы грунта слоя 2 на боковой поверхности сваи принимается по табл. 7.6 [1]:

   y_R,f2 = 0,6

6. Определение несущей способности сваи:

   Несущую способность сваи определяем по формуле (7.13) п. п. 7.2.10[1]:
   
   

7. Определение коэффициента использования по F_d:

   Коэффициент надежности по грунту согласно п. п. 7.1.11 [1]:

   y_c,g = 1,4

   Коэффициент надежности по ответственности сооружения принят по ГОСТ 27751 [2]:

   y_n = 1

   Коэффициент использования по F_d определяем по формуле (7.2) п. п. 7.1.11 [1]:
   
   

Конечно-элементная модель:

Расчетная схема – пространственная конструкция; плитный ростверк – пластинчатые элементы типа КЭ 42/44; сваи – одноузловые элементы типа КЭ 57. Обеспечение граничных условий достигается за счет задания параметров упругого основания. Плитный ростверк толщиной 1,4 м имеет размеры в плане 15,7 м вдоль оси Y и 36,3 м вдоль оси X. Свая диаметром 0,6 м и общей длиной 7 м защемлена в ростверк на 0,25 м. Шаг свай вдоль оси Y 1,8 м, вдоль оси X 1,6 м.

Рисунок 2. Расчетная нагрузка для системы ГРУНТ из ПК ЛИРА 10

Рисунок 3. Параметры сечения сваи из ПК ЛИРА 10

Рисунок 4. Параметры скважины в модуле ГРУНТ из ПК ЛИРА 10

Рисунок 5. Параметры расчета сваи в модуле ГРУНТ из ПК ЛИРА 10

Рисунок 6. Результаты расчета сваи в модуле ГРУНТ из ПК ЛИРА 10

Результаты расчета в ПК ЛИРА 10 полностью совпадают с аналитическим решением.

Таким образом, Модуль «ГРУНТ» помогает определить несущую способность сваи с учетом сейсмического воздействия и проводить более точные расчеты.

Вывод:

Результаты расчета несущей способности сваи с учетом сейсмического воздействия, полученные аналитически и в ПК ЛИРА 10, практически полностью совпадают (погрешность метода расчета). Это подтверждает точность, надежность, а также эффективность модуля "ГРУНТ" для практических инженерных расчетов.

Примечания:

1. Количество участков разбиений (редактор сечений) влияет на точность расчета. Чем больше данных участков, тем точнее результат.

2. Значение длины сваи, равное «половина толщины ростверка» (редактор сечений) не участвует в расчете при определении несущей способности сваи.

3. Характеристики геологических элементов, которые расположены выше оголовка сваи, не учитываются при определении несущей способности сваи.

4. При вычислении коэффициента деформации "альфа эпсилон" в программе используется приведённое значение коэффициента пропорциональности К, которое определяется в соответствии с п. Д.2 [3].
   При расчёте глубины hd в ПК ЛИРА принимается гипотеза, что свойства грунта надо усреднять в пределах глубины hd. Чтобы выйти из "замкнутого круга", hd определяется итерационно. На первой итерации принимаем, что hd равно половине длины погружения сваи в грунт. Далее по циклу: определяем усреднённые свойства -> пересчитываем hd -> определяем усреднённые свойства -> пересчитываем hd и т.д. Повторяем цикл до тех пор, пока прирост hd не станет меньше погрешности в 0,5 мм.

Список литературы:

1. СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты».

2. ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения»

3. СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов»