Выбор оптимальной длины сваи в скальных грунтах при действии сжимающих нагрузок

Статистика использования разных типов свай

Цель работы
Исследовать взаимодействие свай и скального массива
Рассчитать геомеханическую (на базе метода конечных элементов) модель работы свай со скальным грунтом при действии сжимающей нагрузки
Определить независимые факторы варьирования для функции отклика
Определить метод расчёта для выбора оптимальной длины сваи при действии сжимающих нагрузок и с этой целью получить уравнение регрессии

Актуальность темы исследования
Большие нагрузки на основание
В СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» не полностью описана работа свай в скальных грунтах
Экономическая нецелесообразность натурных испытаний

Методы исследования
Метод конечных элементов (решение частных задач взаимодействия сваи с окружающим массивом)
Метод планирования эксперимента (Определение минимального и необходимого количества опытов, обобщение численных результатов полученных МКЭ, составление математической зависимости в виде уравнений регрессии)

Определение факторов варьирования
В качестве исследуемых параметров, способных оказать влияние на работу сваи и ее осадку принимались следующие параметры и пределы их варьирования:
1) Отношение модулей упругости бетона к скальной отдельности Eb/Er принималось исходя из найденных характеристик для бетона класса B25 и найденных модулей упругости для скальных пород средней прочности. Исходя из классификации, пределы варьирοвания прοчнοсти скальных οтдельнοстей сοставляют:
- верхний предел: =80 МПа,
- нижний предел: =20 МПа,
и непосредственно этим значениям соответствуют пределы варьирοвания мοдуля упругοсти нераздробленных скальных грунтοв (οтдельнοстей), кοтοрый испοльзован в данных рабοты, как независимый фактοр и имеет значения:
- верхний предел : Er=50 000 МПа
- нижний предел : Er=5 000 МПа.
Eb/Er = 0, 5 - 5.
2)Показатель качества горной породы (RQD). Принимался от 25% до 75%, так как
при RQD<25% - горная масса разрушенного скального грунта,
а при RQD>75% - практически цельный массив скального грунта
3) Касательная жесткость контакта «свая - скальный массив» ks принималась на основе данных исследований д.т.н. Михаила Григорьевича Зерцалова, в пределах варьирования 50 000 – 700 000 кН/м3
Для проведения экспериментов требовалось выполнить 23=8 испытаний по составленной матрице планирования эксперимента

Пространственная модель взаимодействия свай с массивом скального грунта

Графики и номограммы, использованные при нахождении модуля деформации скального массива

Таблицы, использованные в работе

Численные расчеты
С помощью расчетного комплекса «Z_Soil» просчитаны частные задачи c использованием выбранных факторов, на верхнем и нижнем уровне варьирования
Проанализированы изополя осадок и сжимающих напряжений
В каждой задаче найдены оптимальные величины длины сваи

Пример полученных результатов расчётов (опыт 8):
RQD=75%, Ks=700000 кН/м3, R=20 Мпа
Изополя осадок

Изополя сжимающих напряжений

Эпюры осадок и сжимающих напряжений (опыт 8)

Обобщение результатов
С помощью метода планирования эксперимента составлена матрица планирования эксперимента и математическая зависимость функции отклика от выбранных главных факторов в пределах их варьирования - уравнение регрессии с выходным параметром отношение длины сваи к диаметру

Матрица планирования эксперимента

Используя данные математические зависимости можно приблизительно найти численное значение выбранных откликов не прибегая к расчету МКЭ, в зависимости от физико-механических свойств скального массива
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что с увеличением прочности скального массива и увеличением касательной жесткости требуемая длина сваи значительно уменьшается, исходя из этого, главным образом данный метод способствует достижению целесообразности и экономичности работ по устройству данных свай.
Уравнение регрессии

Выводы
В результате численного моделирования и произведенных расчетов получены изополя осадок и сжимающих напряжений, благодаря которым построены эпюры и получена оптимальная длина сваи.
На основании анализа НДС системы «свая – скальный массив» установлены факторы варьирования, а именно – соотношение модуля деформации сваи и скальной отдельности (Eb/Er), трещиноватость массива (RQD) и касательная жесткость (Ks). Построена матрица планирования эксперимента с функцией отклика (L/D).
Получено уравнение регрессии, которое можно использовать для определения выходного параметра при варьировании факторов в заданных пределах. Цель работы успешно реализована. Описанный метод может использоваться на практике для решения данного вида задач.