Методы моделирования и расчета свайных фундаментов в SCAD Office

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Порядок расчета свайных фундаментов
Технология статического расчета и проверок в SCAD Office фундаментов на свайном основании может включать в себя следующие этапы:
Анализ ИГ усл. и определение несущей способности отдельной сваи Fd. Компоновка свайного фундамента (минимального количества свай с учетом допустимой расчетной нагрузки на сваю, проверка габаритов условного фундамента, глубины его сжимаемой толщи и его осадки);
Расчет коэффициентов бокового отпора грунта по СП;
Расчет вертикальной жесткости отдельной сваи без учета деформаций в кусте;
Итерационное уточнение в SCAD осадки свай в виде связей конечной жесткости в кусте введением дополнительных эквивалентных усилий ΔN на нижних торцах, отражающих взаимное влияние свай при образовании общей осадочной воронки условного фундамента;
Проверка устойчивости грунта, окружающего сваю по СП;
Анализ работы условного свайного фундамента с мнимой плитой на Винклеровском основании и на основании с пер. коэф. постели;
Анализ поведения свайного фундамента в упругом полупространстве грунтового массива, представленного объемными КЭ.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. Компоновка свайного фундамента
Компоновка свайного фундамента, для упрощенной расчетной схемы каркасного здания с суммарной вертикальной нагрузкой по I пред.состоянию N0I=2000 Т, размером плитного ростверка 10x10м и круглыми буровыми сваями ф400мм L=8500мм включает следующие шаги:
Определение несущей способности сваи буровой сваи Fd по СП расчетом в ЗАПРОС и предельной расчетной нагрузки FR = Fd / γk (В текущем примере γk =1,4);
Определение минимального количества свай
n=1,05* N0I / FR с округлением до целого значения;
Определение ширины подошвы условного фундамента по усредненному углу вн.трения: bc=b0+2*h*tg(φIImt/4);
Сравнение напряжений под подошвой условного фундамента pII=(Nc+N0II)/(bc*lc)=29.7, которые не должны быть выше расчетного сопротивления грунта R;
Проверка осадки условного фундамента как фундамента мелкого заложения (ЗАПРОС).

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. Результаты компоновки свайного фундамента
Несущая способность буровой сваи
Fd=83,2 Т и предельная расчётная нагрузка FR=59,4 Т (В текущем примере γk =1,4);
Минимальное количество свай n=1,05*N0I/FR=35,3 с округлением до целого значения 36;
Ширина подошвы условного фундамента по усредненному углу вн.тр.: bc=b0+2*h*tg(φIImt/4)=12,1м;
Напряжение под подошвой условного фундамента pII=(Nc+N0II)/(bc*lc)=29.7 Т/м2 ниже расчетного сопротивления грунта R=237 Т/м2 (расчет в ЗАПРОС);
Осадка условного фундамента S=83мм при расчете как фундамента мелк.заложения в пределах Su=150мм.
Принимаем свайное поле из 36 свай, по 4 сваи под местами стыка 9 колонн с плитным ростверком с расстоянием между буровыми сваями в свету 1000мм

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2. Расчет коэффициентов бокового отпора грунта
Для учета бокового отпора грунта используется приложение В СП 24.13330.2011. Сначала вычисляются коэффициенты пропорциональности К для горизонтальных деформаций отдельных слоев грунта по таблице В.1.
При вычислении коэффициентов пропорциональности К по табл.В.1 меньшие значения показателя текучести IL или коэффициента пористости e соответствуют большему значению К. Расчетные значения принимаются интерполяцией.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2. Расчет коэффициентов бокового отпора грунта
Затем для учета взаимодействия свай по горизонтали в составе куста в расчет вводится понижающий коэффициент αi, вычисляемый по ф-ле В.5.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2. Расчет коэффициентов бокового отпора грунта
В итоге стержень сваи разбивается на КЭ длиной ±0,5м кратно значениям толщины отдельных слоев грунта и вычисляется по формуле Сz=К*z*α/ϓc

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2. Назначение в SCAD коэффициентов бокового отпора грунта
Вычисленные значения коэффициентов пропорциональности К для учета бокового отпора грунта при единичном горизонтальном смещении назначаются в SCAD для стержневых КЭ на соответствующих уровнях.
При табличном расчете
количество строк
должно соответствовать
количеству КЭ, на которые
разбивается каждая свая.
В модели на один КЭ больше
в связи с необходимостью
учета глубины заделки сваи
в плитный ростверк.
При задании коэф.
К стержням ширина
площадки = ф сваи

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. Расчет вертикальной жесткости отдельной сваи
Значение коэффициенте пропорциональности kz отдельной сваи определяется расчетом осадки отдельной сваи в соответствии с п. 7.4.2. и 7.4.3. СП 24.13330.2011.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. Назначение в SCAD вертикальной жесткости отдельных свай
Вычисленные значения коэффициентов пропорциональности kz для учета вертикальной жесткости сваи при единичном вертикальном смещении назначаются в SCAD в виде связей конечной жесткости в нижних узлах стержневых КЭ, моделирующих сваи.
В дальнейшем будут рассмотрены иные варианты учета упругого полупространства в уровне подошвы условного фундамента.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Деформации расчетной схемы при назначенных жесткостях свай
На рисунках снизу показаны три деформированных состояния плитного ростверка со сваями: от вертикальной постоянной нагрузки (слева); только от временной ветровой нагрузки без пригруза (по центру); от комбинации постоянной и временной нагрузки.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Деформации расчетной схемы при назначенных жесткостях свай
На представленных изображениях справа, снизу слева и снизу справа показаны вертикальные деформации от постоянной нагрузки, вертикальные и горизонтальные деформации от комбинации постоянной и временной нагрузок без учета взаимного влияния.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Итерационное уточнение осадки свай в кусте
На рисунке справа приводятся продольные усилия Nh в нижних КЭ свай (в торцах свай) без учета их взаимного влияния в кусте, т.е. без учета образования общей осадочной воронки на упругом полупространстве под подошвой условного фундамента. Nhmax=62,3 Т.
В модели свайного фундамента в SCAD взаимное влияние в кусте может быть учтено путем приложения в узлы связей конечной жесткости на нижних торцах свай дополнительных нагрузок ΔNh (рис. справа), которые влияют на перераспределение усилий.
На рисунках снизу показаны усилия в сваях после первой и второй итераций по уточнению ΔNh.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Итерационное уточнение осадки свай в кусте
Из предыдущего слайда следовало, что учет взаимного влияния свай в кусте в текущей расчетной схеме показал небольшое изменение продольных усилий в сваях, в пределах 2%. Однако на рисунке справа показаны осадки без учета влияния, которые на 42% меньше, чем на рисунках снизу с учетом влияния после 1-й (сл.) и 2-й (спр.) итераций. Изменение осадок на 2-й итерации мало отличается от первой.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Итерационное уточнение осадки свай в кусте
Вычисление дополнительн. вертикальных нагрузок ΔNhi для приложения в нижние узлы свай в текущем примере выполнено в математическом редакторе SMath Studio, при этом может быть использован и любой аналог табличного редактора Excel.
Трудности расчета связаны с вводом сначала всех координат свай, затем с уточнением на каждой последующей итерации продольных усилий N в этих сваях. Этот процесс следует автоматизировать.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Итерационное уточнение осадки свай в кусте
После ввода координат свай вычисляются:
- матрица a взаимного расположения свай в кусте (расстояний между сваями в м);
матрица δ взаимного влияния свай в кусте (по теории упругого полупространства).
Две указанные матрицы и значения продольных усилий в сваях Nh используются для расчета дополнительных усилий ΔNh в соответствии с п. 7.4.4 и 7.4.5 СП 24.13330.2011.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проверка устойчивости грунта, окружающего сваю
После итерационного уточнения осадок свай в кусте и продольных усилий в сваях от комбинации постоянных и временных воздействий, выполняется анализ устойчивости грунта, окружающего сваю в соответствии с приложением В СП 24.13330.2011.
Для анализа следует выбрать сваю с наибольшими значениями бокового отпора грунта rz и ry. Если расчет показывает, что напряжения на боковой поверхности этой сваи превышаю предельно допустимые, то согласно СП допускается понизить коэффициенты постели вокруг свай, что приведет к их большей деформативности и, следовательно, к увеличению армирования.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проверка устойчивости грунта, окружающего сваю
Ниже показан пример проверки устойчивости грунта, окружающего сваю с наибольшим значением rz, выполненный в Excel. Запас устойчивости грунта 75%.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Выводы и рекомендации
При средней расчетной нагрузке на сваю 59,4 Т минимальное сжимающие усилие в КЭ свай в уровне подошвы условного фундамента составляет 60,1 Т, а максимальное 62,3 Т без учета взаимного влияния; 58,7 Т и 63,1 Т соответственно при учете взаимного влияния свай в кусте.
В результате учета взаимного влияния свай в кусте за счет образования общей осадочной воронки изменяется напряженно-деформированное состояние надфундаментных конструкций и происходит перераспределение внутренних усилий в сваях и каркасе здания.
При учете взаимного влияния свай в кусте по СП резко увеличивается осадка фундамента. В рассмотренном примере увеличение составило 42% с 54 мм до 94 мм. Данная осадка сопоставима с осадкой 88 мм, вычисленной в предварительном компоновочном расчете в программе ЗАПРОС условного фундамента как фундамента мелкого заложения в виде абсолютно жесткого штампа.
Вспомогательные модели в виде условного фундамента на мнимой плите с постоянными коэффициентами пастели Пастернака, с переменными коэффициентами постели по модели Федоровского или в виде массива грунта из объемных конечных элементов позволяют получить аналогичную модель условного фундамента на упругом полупространстве. Сложности с построением таких моделей возникают при определении глубины сжимаемой толщи.

СЕТЬ ЦЕНТРОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ SCAD SOFT
ПРОЕКТНО-КОНСАЛТИНГОВАЯ АССОЦИАЦИЯ ПО РАЗВИТИЮ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Семинары по расчету оснований и фундаментов
Приглашаем Вас заполнить заявку на сайте www.SCADmasters.org и принять участие в следующих семинарах: