Моделирование распределения температурных полей и процесса набора прочности бетонной смеси при зимнем бетонировании буронабивных свай

В данной статье, рассмотрены физико-механические процессы распределения температуры и набора прочности при бетонировании буронабивных свайных фундаментов в зимний период строительства. На основании проектных данных была смоделирована расчетная схема описанных процессов в программном комплексе ELCUT с надстройкой WinConcret. Основываясь на расчетные данные компьютерного моделирования, был сделан вывод о необходимо проведения мероприятий по защите части конструкции, выдерживание бетонной смеси которой производится при контактировании с промерзшим грунтом по защите от деструктивных процессов.

Ключевые слова: буронабивная свая, основания и фундаменты, распределение температуры, зимнее бетонирование, шарнирное опирание ростверка на сваю, моделирование теплофизических процессов в строительных конструкциях, набор прочности бетонной смеси.

В современном строительстве основании и фундаментов задний и сооружений лидирующую позицию занимает устройство буронабивных свайных фундаментов. Темпы строительства стремительно растут, появляется необходимость в производстве свайных работ зимой и оптимизации технологий целью описания параметров производства работ. Проблема производства буронабивных свайных работ в зимний период строительства заключается в отсутствии численного описания параметров зимнего бетонирования буронабивных свай, определения распределения температуры и набора прочности бетона в грунте с целью предотвращения деструктивных процессов в теле сваи.

Для этих целей подходит метод компьютерного моделирования в программном комплексе ELCUT с надстройкой WinConcret.

Постановка задачи

Под зимнем бетонирование понимается производства работ при температуре наружного воздуха ниже 5 С и минимальной суточной температуре ниже 0 С [1, с. 9].

При устройстве буронабивных свайных фундаментов в зимний период строительства необходимо учесть возможность промерзания оголовка сваи на глубину промерзания грунта.

Под воздействием наружной среды, грунт, который подлежит бурению с последующим проступанием бетонной смеси в тело скважины, промерзает. Его температура становится отрицательной.

Суть задачи заключается в компьютерном моделировании процессов распределения положительной температуры бетонной смеси в грунте, имеющем отрицательную температуру с целью получения графика распределения температуры бетонной смеси в различные моменты времени в различных частях конструкции буронабивной сваи.

Для решения данной задачи, были приняты начальные данные, на основании проекта, разработанного ЗАО «Институт «Траннсэкопроект» для объекта строительства: «Строительство набережной Макарова от Адмиральского проезда до ЗСД»

К начальным данным также относится:

Диаметр буронабивной исследуемой сваи, ;

Длина буронабивной исследуемой сваи, ;

По проекту класс прочности бетона задается равным B25;

Глубина промерзания назначается равной расчетной глубине промерзания, рассчитанной по формуле 2, которая зависит от нормативной глубины промерзания, в соответствии со СНиП 2.02.01–83* [2, с. 5] и рассчитывается по формуле:

, (1)

Где: Mt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства, =4,28 для г. Санкт-Петербург;

d0 — величина, принимаемая равной, м, для песков средней крупности — 0,30.

, (2)

где: — нормативная глубина промерзания, определяемая по формуле 1;

- коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый: для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по [2, с. 5]-=1,1;

;

Температура подачи бетонной смеси, ;

Температура наружной среды, ;

Температура на глубине промерзания, ;

Температура , по предложению Б. А. Красовицкого и А. П. Шадриной [3, с. 99–108], температурный интервал, в котором происходят фазовые процессы за счет связной влаги, можно принять от 0 до -5°С.

Температура ниже глубины промерзания на глубине ;

Моделирование распределения температуры бетонной смеси и грунта было принято с шагом интегрирования, n=6 часов.

Расчетная схема представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Расчетная схема буронабивной сваи

Граничные условия:

1. Изменением температуры бетонной смеси с момента начала её укладки и до окончания процесса можно пренебречь;

2. Температурное поле в прилегающем грунте за время бурения скважины и время укладки перестроиться не успело;

3. Студенческая версия программного комплекса ELCUT способна произвести расчет только для 255-и конечных элементов. Для обеспечения данного условия расчет производится для сваи длиной 2,5 м, т. к. на глубине более 2,5 м процессы распределения температурных полей и набора прочности бетона происходят при нормальных условиях.

Моделирование процессов распределения температуры бетонной смеси игрунта инабора прочности бетонной смеси

В основе моделирования технологического проектирования процессов обогрева и выдерживания бетона монолитных конструкций на стройплощадке [5. с. 28–35] лежит моделирование тепловых полей в сечениях монолитных конструкций и сопряженные с ним прочностные расчеты бетона, и не редко — расчёт по температурным деформациям. Твердеющий бетон — очень нелинейный материал и напрямую его температурно-прочностное поведение невозможно считать ни в одном из существующих программных комплексов. Кроме того, будучи универсальными, ни один из них не посчитает специфический показатель прочности бетона и не предоставит удобных инструментов для описания технических моментов по управлению процессом выдерживания. Тем не менее, основы для реализации этого есть, в том числе и в ELCUT. На базе программного интерфейса ELCUT (технологии ActiveField) создана специализированная надстройка WinContret [6], с помощью которой разрешается большой круг проблем с моделированием температурно-прочностного состояния бетона конструкций при выдерживании, в том числе при различных видах прогрева.

Рис. 2. Расчетная схема в программном комплексе ELCUT. 2, 9, 11, 19, 22 — номера блоков сваи

После проведения расчета с шагом интегрирования n=6 часов, в программе происходит построение диаграмм, описывающих распределение температуры в бетонной смеси и грунте. Данные диаграммы представлены на рисунках 3–6.

Рис. 3. Распределение при 0 часов

Рис. 4. Распределение при 6 часах

Рис. 5. Распределение при 12 часов

На основании данных, представленных в диаграммах распределения температуры в программном комплексе ELCUT был получен график распределения температуры в точках конструкции № т.1, т.3, т.3, т.4, указанных на расчетной схеме.

Рис. 7. График распределения температуры в бетонной смеси в процессе выдерживания в точках № т.1, т.2, т.3, т.4

Для расчета набора прочности используется надстройка WinConcret. Нумерация блоков конструкции буронабивной сваи представлена на рисунке 2.

Рис. 8. Графики изменения интегральной температуры блоков конструкции и интегральной прочности бетонной смеси

Анализируя данные графика, можно сделать вывод от невозможности набора прочности бетона в блоках конструкции № 2, 9, 11, контактирующих с промерзшим грунтом, так как критическая прочность бетона на момент замораживания бетонной смеси не соответствует условию -прочность бетона частей конструкций, расположенных в деятельном слое грунта, до замерзания должна составлять не менее 70 % проектной прочности. проектной прочности [4, с. 58–67]. Для предотвращения деструктивных процессов рекомендуется применить регулируемые методы бетонирования и обеспечить термоизоляцию оголовка сваи, контактирующего с наружной средой.

Практическая применяемость данного исследования.

Рассматривая технология производства буронабивных свайных работ, можно сделать вывод, что проектная прочность необходима не всем частям конструкции буронабивной сваи.

Сопряжениесвайного ростверкасо сваями бывает свободно опирающимся и жестким. Свободное опирание ростверка на сваи должно учитываться в расчете как шарнирное сопряжение и при монолитных ростверках должно выполняться путем заделки голов свай в ростверке на глубину 5–10 см. Заделка выпусков арматуры в ростверке в этом случае не обязательна. При жестком опирание ростверка на буронабивную сваю необходимо оголять армату для последующей связи с арматурным каркасом ростверка. Из опыта строительства эта величина применяется в диапазоне от 30 до 100 см. Учитывая тот факт, что при оголении арматуры исследованная часть конструкции буронабивной сваи будет демонтирована, применять регулируемый метод бетонных работ буронабивных свай в зимний период является нецелесообразно, поэтому шарнирный метод опирание ростверка на буронабивную сваю является приоритетным.

1. Рассматривая современные проблемы зимнего бетонирования буронабивных свайных фундаментов без применения регулируемых методов бетонировав, можно прийти к выводу, что часть сваи, контактирующая с промерзшим грунтом, не способна, к окончанию момента выдерживания, набрать проектную прочность.

2. Для предотвращения деструктивных рекомендуется обеспечить защиту части конструкции, контактирующей с промерзлым грунтом от промерзания.

3. С технологической точки зрения, осуществлять мероприятия по регулируемому режиму набора прочности оголовка сваи необходимо в случаях шарнирного способа сопряжения сваи и ростверка при условии, что после выдерживания сваи не будет производится срубка оголовка сваи с целью оголения выпусков арматурного каркаса.

Литература:

1. СНиП 3.03.01–87. Несущие и ограждающие конструкции.

2. СНиП 2.02.01–83*. Основания и фундаменты.
3. Красовицкий Б. А., Шадрина А. П. Осесимметричная задача о протаивании мерзлого грунта вокруг скважины. Сб. «Теплофизика и механика материалов, природных сред и инженерных сооружений при низких температурах» Часть 1 Теплофизика и механика природных сред и материалов. Якутск, 1974. — с. 99–108. (Ин -т физико-техн. проблем Севера Восточно — Сибирского отд — ПИЯ РАН)
4. Завалишина Т. В. Расчетное обоснование параметров зимнего бетонирования типовых кустов буронабивных свай / Т. В. Завалишина // Изв. вузов. Стр-во. 2002. — № 7. — С. 58–67.
5. Зиневич Л. В. Применение численного моделирования при проектировании технологии обогрева и выдерживания бетона монолитных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2. с. 28–35.
6. http://www.winconcret/project.htm#func. //. URL: (дата обращения: 10.04.2016).