Разработка технического решения инженерной защиты на объекте: Гостиничный комплекс «MARRIOTT» в г.Краснодаре»
Заказчик – ООО «Европа-Инвест»
Главный инженер проекта – К. Шадунц
Главный конструктор проекта – М. Мариничев
Одним из основных условий начала строительных работ по возведению гостиничного комплекса «MARRIOTT» было требование – обеспечить недопущение значительных величин дополнительных деформаций у фундаментов существующего 10-ти этажного здания ОАО «НИПИгазпереработка». После рассмотрения большого количества вариантов инженерной защиты фундаментов существующего здания мы остановились на варианте с использованием трехрядного свайного ограждения, включающего сваи длиной 30 метров. Это решение позволяло исключить динамическое влияние на фундаменты существующего здания благодаря применению технологии CFA.
Общие размеры включенного в расчет грунтового массива: длина – 215м, ширина – 147м.
Размеры оснований зданий приняты по осям крайних свай рассматриваемых зданий.
Расчет выполнен методом конечных элементов с использованием программы PLAXIS 3D. В расчете использована модель грунтов Мора-Кулона.
Расчетный комплекс PLAXIS, представляет собой целевой пакет геотехнических программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния системы «основание-сооружение» в плоской постановке.
Основой оперативного использования программы PLAXIS является ее выверенная структура, элементы которой позволяют инженеру достаточно быстро моделировать сложные геотехнические ситуации и выполнять необходимый комплекс расчетов.
Все модели материалов, используемые в PLAXIS, основаны на зависимости между скоростью изменения эффективных напряжений ? и скоростью прохождения деформаций ?. Такая зависимость может быть представлена в следующем виде:
где M – матрица жесткости материала.
В этом уравнении тензоры скоростей изменения напряжений и деформаций представлены в векторной форме и включают (для пространственных задач) шесть декартовых составляющих:
Для плоских и осесимметричных задач, смоделированных в PLAXIS, необходимы только четыре составляющие, т.к.
При проведении расчета малые деформации определяются на основе частных производных компонент перемещений ux и uy по следующим формулам:
При разработке определенных моделей материалов применяются главные напряжения, а не декартовые компоненты напряжений. В случае плоской или осесимметричной деформации главные напряжения рассчитываются на основе декартовых компонент напряжений по формулам:
В PLAXIS главные напряжения располагаются в алгебраической последовательности σ1 < σ2 < σ3. Здесь σ1 - наибольшее сжимающее напряжение.
Самая простая модель материала в PLAXIS описывается законом Гука для изотропного линейного упругого поведения (линейно-упругая модель), которое задается при помощи следующего уравнения:
В данной модели используется только два параметра E и ν.
Зависимость между E и другими модулями жесткости, такими как G (модуль сдвига), K (объемный модуль) и одометрический модуль Eoed представлена следующими выражениями:
Линейно упругая модель обычно не используется для моделирования явно нелинейного поведения грунта, однако она позволяет с высокой степенью точности моделировать работу конструкций, например, бетонных стенок или фундаментных плит.
Механическое поведение грунтов в PLAXIS может быть смоделировано при помощи различных моделей грунта.
Модель Кулона-Мора – упругопластическая модель, содержащая 5 основных параметров: E и ν – параметры упругости грунта, с и φ – параметры прчности грунта, ψ – угол дилатансии. Модель Кулона-Мора представляет собой аппроксимацию первого порядка поведения грунта или скальной породы. Для каждого слоя грунта рассчитывается постоянная средняя жесткость. При постоянной жесткости расчеты выполняются довольно быстро, давая первое представление о напряжениях и деформациях в пределах выбранного грунтового основания. Кроме выше упомянутых параметров грунта, характеризующих его идеальное пластическое поведение, важную роль при решении большинства задач, связанных с деформацией грунта, играет его начальное состояние. При расчетах с использованием модели Кулона-Мора (как и для остальных моделей грунтов), реализованной в PLAXIS, генерируются начальные горизонтальные напряжения в грунте.
Пластичность в данной модели связана с возникновением необратимых деформаций. Для определения того, встречается пластичность в расчете или нет, функция текучести f задается в виде функции напряжений и деформаций. Часто функция текучести может быть представлена как поверхность в пространстве главных напряжений.
Рис.1. Поверхность текучести в пространстве главных напряжений (при с = 0): а) Кулона-Мора; б) упрочняющегося грунта
Модель Кулона-Мора имеет фиксированную поверхность текучести, т.е. такую поверхность, которая полностью определяется параметрами модели и на которой не отражается пластическое деформирование. При напряженных состояниях, представляемых точками в пределах поверхности текучести, поведение грунта является строго упругим, а все деформации – обратимыми.
Основной принцип упругопластичности заключается в том, что деформации и их скорости разделяются на упругие и пластические составляющие.
Модель упрочняющегося грунта – более усовершенствованная модель, чем модель Кулона-Мора. В модели Кулона-Мора предельное напряженное состояние описывается с помощью угла внутреннего трения φ, сцепления с и дилатансии ψ. Жесткость грунта можно описать намного точнее с помощью трех различных вводных параметров жесткости: жесткости при трехосном нагружении E50, жесткости при трехосной разгрузке Eur и жесткости при нагружении в одометре Eoed. В качестве средних значений для различных типов грунтов можно записать Eur =~ 3E50 и Eoed =~ E50, хотя очень мягкий и очень жесткий грунт обычно имеют другие отношения Eoed/E50.
В отличие от модели Мора-Кулона модель упрочняющегося грунта учитывает также зависимость модуля деформации от напряжений. Т.е. все параметры жесткости увеличиваются с повышением давления. Все три входных параметра имеют отношение к контрольному напряжению, которое обычно принимается равным 100кПа.
Кроме того, поверхность текучести модели пластического упрочняющегося грунта не зафиксирована в пространстве главных напряжений в отличие от упругой идеальнопластической модели. Существует два основных типа упрочнения – при сдвиге и при сжатии. Упрочнение при сдвиге применяется для моделирования необратимых деформаций, появившихся в результате первичного девиаторного нагружения; нагружение при сжатии – для моделирования необратимых пластических деформаций, обусловленных первичным сжатием при одометрическом или изотропном нагружении.
Данная модель является усовершенствованной, предназначенной для моделирования поведения различных видов грунта, как слабых, так и прочных.
Модель ползучести слабого грунта (реологическое поведение). В этой модели, реализованной в PLAXIS разработчиками, под слабыми грунтами подразумеваются глины, глинистые илы, торфы в состоянии уплотнения, близком к естественному. Для таких грунтов характерна высокая степень сжимаемости. И хоть большинство задач с подобными типами грунтов могут быть решены при использовании модели упрочняющегося грунта, однако она не пригодна для рассмотрения вопросов ползучести.
Все типы грунтов обладают определенной ползучестью, т.е. после первичной консолидации всегда следует вторичная. Если предположить, что вторичная консолидация, которая может длиться десятки лет, составляет определенный процент от первичной, то следует вывод, что явление ползучести требует обязательного учета в тех задачах, которые связаны со значительной первичной консолидацией. Подобные ситуации возникают, например, при строительстве насыпей на слабых грунтах. В таких случаях желательно учитывать ползучесть с использованием метода конечных элементов.
В PLAXIS включены следующие основные характеристики модели ползучести слабого грунта: зависимость жесткости от напряжений, различие между первичным нагружением и режимом разгрузки-нагрузки, вторичное (зависящее от времени) уплотнение, информация о напряжениях предварительного уплотнения, разрушение в соответствии с критерием Кулона-Мора.
Рис.2. Деформированная схема конечных элементов (без учета разделительной конструкции)
Результаты расчета без учета разделительной стенки показали, что значение дополнитеольного вертикального перемещения фундаментов существующего здания почти в 2 раза превысит допустимое значение. Поэтому в расчетную схему была добавлена пространственная конструкция разделительной стенки, состоящей из свай длиной 30м.
Рис.3. Схема для расчета осадок (с показом разделительной конструкции)
Рис.4. Фрагмент расчетной схемы в месте примыкания зданий (грунты условно не показаны)
Рис.5. Фрагмент расчетной схемы в месте примыкания зданий (грунты условно не показаны)
Рис.6. Деформированная схема перемещений соседних фундаментов с учетом инженерной защиты. Осадка MARRIOTT S=67мм. Дополнительная осадка НИПИ S=18 мм
Рис.7. Армирование фундаментной плиты комплекса после выполнения разделительной стенки между зданиями