Об исследовании значимости отдельных элементов комбинированного свайного фундамента

В настоящее время в связи с широким использованием для строительства площадок с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями (недостаточная несущая способность основания, большая мощность насыпных грунтов, высокий уровень подземных вод, опасные геологические процессы, сложные рельефы и напластования грунтов и т. д.), строительством зданий повышенной этажности, увеличением предельных нагрузок на основания, передачей на них значительных комплексных статических, динамических, знакопеременных нагрузок находят успешное применение свайные фундаменты. Это подтверждается детальным анализом различных конструкций фундаментов для зданий и сооружений, наиболее широко используемых в строительстве [1][2].

В связи с этим заслуживает внимания рассмотрение комбинированного свайного фундамента (далее – КСФ), используемого в качестве фундамента колонн каркасных зданий и сооружений в виде безростверкового свайного фундамента [3][4].

КСФ являются достаточно сложными конструкциями, сопрягаемыми последовательно из нескольких элементов. Это приводит к суммированию несущей способности по грунту, значительно превышающей поэлементную погружающую способность копра. Конфигурация, размеры и параметры сопрягаемых элементов КСФ существенно влияют на несущую способность, в т. ч. горизонтальную. Однако рациональность конфигурации и геометрических размеров отдельных сопрягаемых элементов, их «вклад» в несущую способность КСФ изучены неполно, что не позволяет оптимизировать параметры фундамента и повысить его технико-экономические показатели.

Следовательно, существующие в этой области теоретические положения и практические рекомендации нуждаются в усилении степени их обоснованности. В связи с этим представляется актуальным рассмотрение оценки степени влияния отдельных элементов КСФ и его основания на несущую способность [5][6].

КСФ являются эффективным типом фундаментов колонн каркасных зданий и сооружений, воспринимающие значительные горизонтальные нагрузки (500–700 кН), которые позволяют достичь высоких технико-экономических показателей в условиях глинистых грунтов [7].

КСФ представляет собой фундамент, выполненный путем сопряжения одной или нескольких свай, погруженных в предварительно выштампованную (продавленную, пробуренную) полость, которая затем бетонируется для омоноличивания голов свай с одновременным устройством стакана для железобетонных или анкерных болтов для металлических колонн. КСФ являются многоэлементной конструкцией и для их эффективного применения на практике необходимо выполнить исследования по оптимизации конструкции КСФ и обоснования расчетной схемы для расчета (рис. 1).

Одним из путей совершенствования методов расчета КСФ является определение факторов, оказывающих наибольшее влияние на сопротивляемость фундамента действию сил. C этой целью были проведены численные трехуровневые эксперименты по выявлению значимости факторов при работе КСФ на горизонтальную нагрузку и момент с использованием разработанного программного продукта [8][9] (рис. 2). На основании ранее проведенных натурных испытаний КСФ были приняты пять факторов, которые, по мнению авторов, вносят наибольший вклад в формирование сопротивления фундаментов горизонтальной нагрузке: коэффициент постели грунта вокруг подколонника k_u; коэффициент постели околосвайного грунта k_p; поперечный размер подколонника d_u; высота подколонника l_u; угол наклона сваи к вертикали α_P.

Границы (пределы) изменения каждого фактора проанализированы и приняты с учетом применяемых и возможных геометрических размеров элементов КСФ (подколонника и свай), характерных грунтовых условий (коэффициенты постели), нагрузок и конструктивных особенностей экспериментально-производственных фундаментов рассматриваемого типа с учетом погружающей способности современных копров [9].

Для упрощения записи условий численного эксперимента и обработки экспериментальных данных были определены безразмерные значения каждого фактора по формуле (1):

(1)

где f_iB, f_iH – соответственно верхнее и нижнее значение фактора f;

f_i – промежуточное значение фактора f.

В нормализованном (безразмерном) виде значения факторов f на верхнем уровне равны +1, на нижнем – –1, а на основном – 0 [10]. Натуральные и нормализованные значения каждого фактора приведены в табл. 1.

Выходными параметрами программы являются перемещение в уровне поверхности грунта и изгибающий момент в заделке сваи в подколоннике. За контрольный показатель принято горизонтальное перемещение в уровне поверхности грунта.

По таблицам планов эксперимента [11] выбран трехуровневый план эксперимента № 74 для пяти вышеперечисленных факторов, и согласно выбранному плану были проведены 24 расчета по разработанной программе. Принятый план эксперимента описывает модель линейную по параметрам. Поэтому для данного трехуровневого пятифакторного эксперимента перемещение в уровне поверхности грунта можно записать в виде квадратного полинома от пяти переменных:

(2)

где х₁…х₅ – независимые переменные – нормализованные значения факторов;

Y – результат численного эксперимента в точке (х₁…х₅), в данном случае перемещение подколонника КСФ в уровне поверхности грунта, см;

b₀ – свободный член уравнения регрессии;

b_i, b_ii – коэффициенты при факторах и квадратах факторов;

b_ij – коэффициенты регрессии при попарном произведении факторов x_i•x_j;

е – ошибка наблюдения.

Вычисленные значения коэффициентов полинома b_in , определенные методом наименьших квадратов и подставленные в уравнение регрессии, позволили определить перемещения КСФ на уровне поверхности грунта, а также величины невязки значений горизонтальных перемещений, определенных в результате численных экспериментов и по полученному уравнению регрессии.

Расхождения значений перемещений по численным экспериментам и вычисленным по полиному в среднем составили 5,47 %. Данное уравнение регрессии с достаточной точностью описывает горизонтальное перемещение КСФ. В результате вычислений получены следующие значения коэффициентов полинома:

Рассмотрим степень влияния линейных эффектов (т. е. коэффициентов b_i при нормализованных значениях выбранных факторов x_i в уравнении регрессии) на работу КСФ на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент, исходя из предположения, что«чем больше численная величина коэффициента, тем большее влияние оказывает фактор».

Анализ абсолютных значений коэффициентов полинома (табл. 2) и степень влияния исследуемых факторов на величину горизонтального перемещения подколонника КСФ в уровне поверхности грунта от действия горизонтальной и моментной нагрузок позволяет выявить следующие особенности:

• свободный член уравнения регрессии b₀ равен некоторому начальному перемещению подколонника, которое будет при любом сочетании факторов варьирования. Из множества сочетаний исследуемых факторов найдется такое, что все значения факторов встандартизованном виде будут равны 0 (на среднем уровне варьирования), тогда перемещение подколонника в уровне грунта будет равно b₀;
• линейный эффект b₁ коэффициента постели грунта вокруг подколонника k_u – самый важный фактор – подтверждает, что несущая способность КСФ исчерпывается по грунту, причем именно подколонник воспринимает на себя основное воздействие горизонтальной и моментной нагрузок. Коэффициент b₁ уменьшает значение горизонтального перемещения подколонника Y (до 60 %), т. е. чем больше коэффициент постели грунта вокруг подколонника, тем выше несущая способность фундамента. Разброс значений перемещений составляет примерно 0,2–0,3 см;
• линейный эффект b₃ поперечного размера подколонника d_u – также значимый фактор, положительно влияющий на повышение несущей способности КСФ воздействию горизонтальной силы и момента. Увеличение поперечного размера подколонника доадекватных пределов, с учетом технологической возможности устройства монолитного либо сборного подколонника, повышает сопротивляемость КСФ действию горизонтальной нагрузки на 35 %, т. е. уменьшает горизонтальное перемещение Y на величину 0,086 см;
• линейный эффект b₄ высоты подколонника l_u – высота подколонника не оказывает столь большого влияния на сопротивляемость КСФ воздействию горизонтальной нагрузки, в отличие от вышеприведенных факторов. Увеличением высоты подколонника нецелесообразно добиваться повышения несущей способности КСФ, т. к. если длина подколонника недостаточна для восприятия горизонтальной и моментной нагрузок, то в работу вступают сваи;
• линейные эффекты b₅ угла наклона свай α_р и b₂ коэффициента постели околосвайного грунта k_р – в абсолютном значении наименее значимые факторы подтверждают данные о том, что КСФ нагрузку от горизонтальной силы и момента в основном воспринимает подколонником. Линейные эффекты l_u, α_р, k_р изменяют величину горизонтального перемещения всего на 6–10 %, что в натуральных единицах составляет 0,027–0,072 см.

Вышеизложенный анализ результатов численных экспериментов наглядно прослеживается на рис. 3 в виде гистограммы разброса значений горизонтальных перемещений подколонника КСФ в уровне дневной поверхности грунта. Первая колонка в каждой группе гистограммы показывает перемещение подколонника КСФ на нижнем уровне варьирования рассматриваемого фактора (значение фактора в нормализованном виде – –1), вторая – на среднем (0), и третья – на верхнем (+1).

Значительный разброс значений горизонтального перемещения подколонника в уровне поверхности грунта (группа № 1 гистограммы, рис. 3) свидетельствует о максимальном влиянии коэффициента постели грунта вокруг подколонника k_u на величину перемещения подколонника. Это абсолютно коррелируется с утверждением, что в системе «фундамент – основание» «слабым звеном» является основание.

Выводы

Использование комплекса численных теоретических исследований горизонтально нагруженных КСФ позволяет выявить значимость и роль отдельных элементов КСФ и его основания, что способствует оптимизации и оценки эффективности проектируемых КСФ различных конструктивных размеров фундамента и инженерно-геологических условий площадки строительства. Проведенные численные трехуровневые исследования выявили значимость факторов на формирование несущей способности КСФ на горизонтальную нагруз­ку и момент. При этом обоснованы количественные входные трехуровневые параметры факторов влияния на несущую способность фундаментов, согласующиеся с реальными грунтовыми условиями и конструктивными особенностями сваепогружающих копров.

Практическая значимость предлагаемых численных экспериментов заключается в применении его результатов для совершенствования конструкций КСФ с целью получения максимальной несущей способности.