Структурные реакции железобетонных свайных фундаментов на давление сжатого воздуха для хранения возобновляемой энергии | Международный журнал бетонных конструкций и материалов

Что такое свайный фундамент? Типы свайного фундамента

Фундаменты обеспечивают поддержку конструкции и передают нагрузки от конструкции на грунт. Но слой, на который фундамент передает нагрузку, должен иметь достаточную несущую способность и подходящие характеристики осадки. Существует несколько типов фундаментов в зависимости от различных соображений, таких как:

Суммарная нагрузка от надстройки.
Почвенные условия.
Уровень воды.
Чувствительность к шуму и вибрации.
Доступные ресурсы.
Срок реализации проекта.
Стоимость.

Вообще говоря, фундаменты можно разделить на мелкозаглубленные и глубокие. Неглубокие фундаменты обычно используются, когда несущая способность поверхностного грунта достаточна для того, чтобы выдерживать нагрузки, создаваемые конструкцией. С другой стороны, различные типы глубоких фундаментов обычно используются, когда несущая способность поверхностного грунта недостаточна для восприятия нагрузок, создаваемых конструкцией. Таким образом, нагрузки должны передаваться на более глубокий уровень, где слой грунта имеет более высокую несущую способность. Свайный фундамент – это один из типов фундамента глубокого заложения. Инженеры-основатели проявляют огромный интерес к забивке свай в гражданском строительстве. В этой статье мы обсудим детали свайного фундамента вместе с определением свайного фундамента.

Что такое свайный фундамент?

, разновидность глубокого фундамента, можно определить как тонкую колонну или длинный цилиндр, сделанный из таких материалов, как бетон или сталь, которые используются для поддержки конструкции и передачи нагрузки на желаемой глубине либо за счет торцевой опоры, либо за счет трения кожи.

Свайные фундаменты представляют собой фундаменты глубокого заложения. Они состоят из длинных тонких столбчатых элементов, обычно изготавливаемых из стали или железобетона, а иногда и из дерева. Фундамент называют «свайным», если его глубина более чем в три раза превышает его ширину.

Аткинсон, 2007

Фундаментные сваи обычно используются для больших сооружений и в ситуациях, когда грунт на небольшой глубине не подходит для сопротивления чрезмерной осадке, сопротивления поднятию и т. Д.

Когда использовать свайный фундамент

Часто возникает вопрос, в каких случаях подходят свайные фундаменты. Ниже приведены ситуации, когда использование системы свайного фундамента может быть выгодным.

При высоком уровне грунтовых вод оптимальным решением является свайный фундамент.
Прилагаются большие и неравномерные нагрузки от надстройки.
Другие типы фундаментов дороже или нецелесообразны.
Когда грунт на небольшой глубине сжимаем.
Когда есть возможность размыва, из-за расположения вблизи русла реки или берега моря и т.п.
При наличии канала или глубокой дренажной системы рядом со строением.
Когда выемка грунта невозможна на требуемую глубину из-за плохого состояния грунта.
Когда становится невозможно поддерживать траншеи под фундамент сухими откачкой или любым другим способом из-за сильного притока просачивающейся воды.

Типы свайных фундаментов

Свайные фундаменты можно классифицировать по функциям, материалам, процессу монтажа и т. д. В строительстве используются следующие типы свайных фундаментов:

В зависимости от функции или использования

На следующей диаграмме представлены различные типы свай в строительстве, о которых говорилось выше.

Эти типы свайных фундаментов кратко обсуждаются ниже.

Классификация свайных фундаментов по функциям или использованию

Как мы видим на следующей диаграмме, существует пять типов свай, основанных на использовании и функциях свайного фундамента.

Шпунтовые сваи

Этот тип свай в основном используется для обеспечения боковой поддержки. Обычно они противостоят боковому давлению рыхлого грунта, потока воды и т. д. Их обычно используют для перемычек, траншейных заграждений, берегоукрепления и т. д. Они не используются для вертикальной поддержки конструкции. Обычно они используются для следующих целей:

Строительство подпорных стен.
Защита от береговой эрозии.
Сохраните рыхлую почву вокруг фундаментных траншей.
Для изоляции фундамента от прилегающих грунтов.
Для удержания почвы и, таким образом, увеличения несущей способности почвы.

Несущие сваи

Этот тип свайного фундамента в основном используется для передачи вертикальных нагрузок от конструкции на грунт. Эти несущие свайные фундаменты передают нагрузки через грунт с плохими несущими свойствами на слой, способный нести нагрузку. В зависимости от механизма передачи нагрузки от сваи к грунту несущие сваи могут быть дополнительно классифицированы как заливные.

Концевые опорные сваи

В этом типе свайного фундамента нагрузки проходят через нижний конец сваи. Нижний конец опорных свай опирается на прочный слой грунта или скалы. Обычно ворс упирается в переходный слой слабого и сильного убийцы. В результате свая выполняет роль колонны и надежно передает нагрузку на прочный слой.

Полную несущую способность торцевого свайного фундамента можно рассчитать, умножив площадь кончика сваи на несущую способность на той конкретной глубине грунта, на которую опирается свая. С учетом разумного запаса прочности рассчитывается диаметр сваи.

Фрикционная свая

Висячая свая передает нагрузку от конструкции на грунт за счет силы трения между поверхностью сваи и грунтом, окружающим сваю, таким как жесткая глина, песчаный грунт и т. д. Трение может возникать по всей длине сваи или определенной длины сваи в зависимости от пластов грунта. В висячих сваях, как правило, вся поверхность сваи работает на передачу нагрузки от конструкции к грунту.

Площадь поверхности сваи, умноженная на безопасную силу трения, развиваемую на единицу площади, определяет грузоподъемность сваи.

При проектировании висячей сваи необходимо тщательно оценить поверхностное трение, которое должно возникнуть на поверхности сваи, и принять во внимание разумный фактор безопасности. Кроме того, можно увеличить диаметр, глубину и количество свай, а также сделать поверхность сваи шероховатой для увеличения несущей способности висячей сваи.

Сваи для уплотнения грунта

В отличие от других типов свайных фундаментов, этот тип свай не несет прямых нагрузок. Сваи этого типа забиваются через небольшие промежутки для увеличения несущей способности грунта за счет уплотнения.

Типы свай по материалам и способу устройства свайного фундамента

В первую очередь сваи можно разделить на две части. Перемещаемые сваи и несмещаемые или сменные сваи. Сваи, которые вызывают вертикальное и радиальное смещение грунта по мере того, как они вбиваются в землю, известны как сваи смещения. В случае сменных свай земля бурится и грунт удаляется, а затем полученное отверстие либо заполняется бетоном, либо вставляется сборная бетонная свая. По материалам устройства свайных фундаментов и способу их установки несущие сваи можно классифицировать следующим образом:

необработанный
Обработан консервантом

Сборные сваи
Забивные сваи

Сваи двутаврового сечения
Полые сваи

Деревянные сваи

Деревянные сваи – это типы свайных фундаментов, которые размещаются ниже уровня воды. Они служат примерно около 30 лет. Они могут быть прямоугольной или круглой формы. Их диаметр или размер может варьироваться от 12 до 16 дюймов. Длина ворса обычно в 20 раз больше его ширины.

Обычно они рассчитаны на 15-20 тонн. Дополнительную прочность можно получить, прикрепив накладки к сваям болтами.

Преимущества деревянных свай

В наличии деревянные сваи стандартных размеров.
Экономичный.
Простота в установке.
Низкая вероятность повреждения.
Фундаменты из деревянных свай можно отрезать на любую желаемую длину после их установки.
При необходимости деревянные сваи можно легко вытащить.

Недостатки деревянных свай

Сваи большей длины не всегда доступны.
Трудно получить прямые сваи, если длина короткая.
Трудно забить сваю, если грунтовые слои очень твердые.
Спайсирование деревянных свай затруднено.
Деревянные или деревянные сваи не подходят для использования в качестве опорных свай.
Для долговечности деревянных свай необходимо принимать специальные меры. Например, деревянные сваи часто обрабатывают консервантами.

Бетонные сваи

Сборная бетонная свая

Сборный железобетонный свайный фундамент заливается в свайное ложе горизонтальной формы, если они имеют прямоугольную форму. Обычно круговые сваи отливают в вертикальных формах. Сборные сваи обычно армируют сталью, чтобы предотвратить поломку во время их перемещения от литейной площадки к месту расположения фундамента. После того, как сваи отлиты, необходимо провести отверждение в соответствии со спецификацией. Обычно период отверждения сборных свай составляет от 21 до 28 дней.

Преимущества сборных свай

Обеспечивает высокую стойкость к химическим и биологическим трещинам.
Обычно они имеют высокую прочность.
Для облегчения забивки по центру сваи может быть установлена труба.
Если сваи залиты и готовы к забиванию до наступления срока установки, это может увеличить темпы работ.
Удержание арматуры может быть обеспечено.
Качество ворса можно контролировать.
Если обнаружена какая-либо неисправность, ее можно заменить перед поездкой.
Сборные сваи можно забивать под воду.
Сваи можно нагружать сразу после того, как они будут забиты на необходимую длину.

Недостатки сборных свай

Как только длина сваи определена, впоследствии трудно увеличить или уменьшить длину сваи.
Их сложно мобилизовать.
Для вождения требуется тяжелое и дорогое оборудование.
Поскольку они недоступны для покупки в готовом виде, это может привести к задержке проекта.
Существует вероятность поломки или повреждения при перемещении и забивке свай.

Монолитные бетонные сваи

Этот тип свайного фундамента сооружается путем бурения грунта до нужной глубины, а затем укладки свежезамешанного бетона в этом месте и оставления его там затвердевать. монолитный бетонный свайный фундамент строится либо путем вбивания металлической оболочки в землю и заполнения ее бетоном, оставляя оболочку с бетоном, либо оболочку вытаскивают во время заливки бетона. Обычно в монолитных сваях используют круглые сваи.

Преимущества фундамента из монолитных бетонных свай

Раковины имеют небольшой вес, поэтому с ними легко обращаться.
Длину свай можно легко варьировать.
Оболочки могут быть собраны на месте.
Никакого чрезмерного применения не требуется только для предотвращения ущерба от обработки.
Отсутствие возможности поломки при установке.
При необходимости можно легко установить дополнительные сваи.

Недостатки монолитных бетонных свай

В этом типе свайного фундамента монтаж требует тщательного надзора и контроля качества.
Требуется достаточное место на участке для хранения материалов, используемых для строительства.
Трудно соорудить монолитные сваи в местах с большим потоком подземных вод.
Нижняя часть ворса может быть несимметричной.
Если свая не армирована и не обсажена, свая может разрушиться при растяжении, если на нее действует подъемная сила.

Стальные сваи

Стальные сваи могут быть двутавровыми или трубчатыми. Они залиты бетоном. Размер может варьироваться от 10 дюймов до 24 дюймов в диаметре, а толщина обычно составляет ¾ дюйма. Из-за небольшой площади сечения сваи легко забивать. В основном они используются в качестве опорных свай.

Конструктивные реакции железобетонных свайных фундаментов на давление сжатого воздуха для хранения возобновляемой энергии

Система хранения возобновляемой энергии предлагается в рамках междисциплинарного исследовательского проекта. В этой системе используются фундаменты из железобетонных свай для хранения возобновляемой энергии, вырабатываемой солнечными панелями, прикрепленными к строительным конструкциям. Возобновляемая энергия может храниться в виде сжатого воздуха внутри свайного фундамента с полым сечением. Свайный фундамент должен выдерживать сложные комбинированные воздействия, включая структурные нагрузки, воздействие грунта и давление, создаваемое сжатым воздухом, поэтому для обеспечения достаточной безопасности конструкции требуется тщательный анализ и расчетные соображения. В данной статье представлены результаты аналитических исследований структурных реакций энергетических свай при этих комбинированных нагрузках. Свайные фундаменты были спроектированы на основе современных методов проектирования зданий различной геометрии, включая количество этажей и расстояние между колоннами. Величина атмосферного давления была определена из термодинамических циклов доступной возобновляемой энергии для хранения с учетом геометрии здания и свайного фундамента. Анализ методом конечных элементов был проведен с использованием упругой трехмерной модели для определения критических растягивающих напряжений свайного фундамента. Эти критические растягивающие напряжения были использованы для определения необходимой арматуры в секции сваи. На этой основе было проведено несколько нелинейных анализов конечных элементов с использованием неупругих конститутивных моделей материалов для исследования структуры трещин полого бетонного сечения. Наконец, были представлены рекомендации по правильному практическому проектированию свайного фундамента, служащего накопителем возобновляемой энергии.

Введение

Одним из эффективных способов использования возобновляемой энергии является своевременная подача электроэнергии для повседневной эксплуатации зданий, которая получается непосредственно от солнечных батарей или ветряных мельниц, прикрепленных к зданиям (Hayter and Kandt 2011). Однако солнечная и ветровая энергия имеют непостоянный характер, так что их доступность существенно зависит от климата и суточных циклов (Руголо и Азиз, 2012). Эта прерывистая характеристика возобновляемой энергии требует эффективных методов хранения энергии, чтобы своевременно привести генерируемую возобновляемую энергию в соответствие с потребностями клиентов. Таким образом, в рамках междисциплинарной исследовательской программы была разработана новая система хранения возобновляемой энергии (Сабирова и др., 2016; Тулебекова и др., 2017), и основной особенностью этой системы является использование железобетонных (ЖБ) свайных фундаментов для хранения возобновляемая энергия, вырабатываемая солнечными панелями, прикрепленными к строительным конструкциям. Возобновляемая энергия может храниться внутри железобетонного свайного фундамента с использованием так называемой технологии накопления энергии на сжатом воздухе (CAES), называемой здесь сваей CAES. CAES — один из многообещающих методов с высокой надежностью, экономической целесообразностью и низким воздействием на окружающую среду (Cavallo 2007; Lund and Salgi 2017). Однако применение CAES в строительных конструкциях весьма ограничено из-за присущих ему трудностей с определением надежных, безопасных и экономичных носителей данных (Zhang et al. 2012). Некоторые примеры применения можно найти в других местах (например, завод McIntosh в США и завод Huntorf в Германии), которые в настоящее время применяются только на электростанциях с большими подземными кавернами.

Чтобы преодолеть такое ограничение, в этом исследовании в качестве резервуара для хранения энергии использовался фундамент из железобетонных свай с полым сечением, что приводит к уменьшению эффективной площади поперечного сечения конструкционной бетонной сваи. Кроме того, в свайном фундаменте ожидаются более сложные условия напряжения из-за комбинированных нагрузок среди конструкционных нагрузок от надстройки, воздействия грунта и давления сжатого воздуха внутри сваи. В этой статье представлены результаты аналитического исследования поведения конструкции сваи CAES при комбинированном нагружении с помощью подробного анализа методом конечных элементов. Свайный фундамент спроектирован на основе современных методов проектирования с учетом различной геометрии зданий, таких как количество этажей и расстояние между колоннами. Величина давления сжатого воздуха определяется из термодинамических циклов в ЦАЭС для доступной возобновляемой энергии с учетом геометрии здания и свайного фундамента. Анализ конечных элементов был проведен с использованием упругой трехмерной модели для определения критических растягивающих напряжений, возникающих в свайном фундаменте, и эти растягивающие напряжения используются для определения необходимого количества кольцевой арматуры для надлежащего контроля трещин. Затем проводится нелинейный анализ конечных элементов для исследования реалистичных моделей трещин в бетонных сваях, надлежащим образом армированных кольцевой арматурой.

проверка данных

Напряженное состояние в свайном фундаменте

Свайный фундамент подвергается комбинированным конструкционным нагрузкам и внутреннему давлению воздуха. На рис. 1 показаны напряженные состояния свайного фундамента. Как показано на рис. 1а, на сваю действует конструкционная нагрузка (N_P), граничные силы грунта, в которые входит трение вала о грунт (f), концевой подшипник (B), и боковое давление грунта (P_o), а давление воздуха на внутреннюю поверхность сваи (P). В свайном бетонном сечении внутренние сопротивления под нагрузкой конструкции, в том числе вертикальной (σ_v_,_S), окружной (σ_h_,_S) и радиальный (σ_r_,_S) напряжения развиваются, как показано на рис. 1б. Под действием вертикальной нагрузки все эти напряжения вызывают сжатие свайного фундамента. С другой стороны, под давлением воздуха (P), вертикаль (σ_v_,_P) и окружной (σ_h_,_P) напряжения вызывают растягивающие напряжения в сечениях свайного фундамента, а радиальные напряжения (σ_r_,_P) вызывает сжатие (см. рис. 1в). Когда давление воздуха намного больше, чем боковое давление грунта и вертикальная нагрузка на конструкцию, комбинированная нагрузка может вызвать окружную (σ_h_,_S+P) или даже вертикальный (σ_v_,_S+P) растягивающие напряжения (см. рис. 1г). Эти растягивающие напряжения могут привести к растрескиванию бетона, а также могут привести к утечке давления воздуха или даже к катастрофическому разрушению свайного фундамента.

Напряженные состояния свайного фундамента: a приложенные нагрузки; b напряжения под конструкционной нагрузкой; c напряжения под внутренним давлением воздуха; d напряжения при комбинированной нагрузке.

Подобные окружные растягивающие напряжения также наблюдались в конических бетонных резервуарах для хранения жидкости из-за гидростатического давления (Азаби, 2014). Бетонный резервуар, как правило, спроектирован так, чтобы не растрескиваться под действием окружного растягивающего напряжения в соответствии с ACI350 (2014). Однако ожидается, что давление сжатого воздуха будет намного больше, чем гидростатическое давление (около 0.5 МПа) в бетонном резервуаре, и, таким образом, может быть нецелесообразно поддерживать целостность бетонной секции в свае CAES. Более того, бетонный резервуар имеет гораздо меньшую толщину стенок, чем свайный фундамент, и распределение окружных растягивающих напряжений в свайном фундаменте неравномерно, как это наблюдается в тонкостенном бетонном резервуаре. Поэтому возможно, что трещины растяжения могут не проникнуть во все сечение свайного фундамента. Распределение растягивающих напряжений в упругих круглых полых профилях можно определить с помощью уравнения Ламе (Пурушотама и Рамасами, 2010). Исходя из этого, окружное растягивающее напряжение для упругого толстостенного сечения под действием внутреннего или внешнего давления может быть рассчитано следующим образом:

в котором r_i и r_o – внутренний и внешний радиус соответственно, и r радиус в интересующей точке. Это приближенное решение может только предсказать окружное напряжение для линейно-упругих материалов, и оно будет использоваться для сравнения с результатами конечных элементов, описанными далее в этой статье.

Термодинамические циклы в КАЭС

В одной из технологий хранения энергии на сжатом воздухе используется усовершенствованный адиабатический процесс (Ассоциация хранения энергии, 2018 г.). Этот процесс включает четыре термодинамических цикла, в том числе: (1) сжатие; (2) охлаждение; (3) отопление; (4) расширение. Процесс иллюстрируется рис. 2.

Термодинамические циклы ЦАЭС.

Процесс сжатия

Процесс сжатия можно идентифицировать, используя принцип сохранения энергии. Для упрощения предполагается условие изоэнтропического адиабатического сжатия, а энергетический баланс для идеального двухатомного газа можно выразить на основе Al Shemmeri (2010) следующим образом:

в котором w работа компрессора (J), n – количество воздуха, проходящего через компрессор (моль), T – абсолютная температура воздуха (К), R – универсальная газовая постоянная, а 8.31 Дж/моль. K был принят в этом исследовании. T₁ температура окружающего воздуха, а T₂ – температура воздуха после процесса сжатия. Электроэнергия, вырабатываемая солнечной панелью ( (dot_) ), может использоваться для питания компрессора на основе принципа энергетического баланса следующим образом:

где (точка) – скорость потока воздуха через компрессор (моль/с), а η₁ является эффективностью сжатия. Количество воздуха, аккумулированного в носителе, можно выразить как функцию времени сжатия (t):

в котором t время сжатия в секундах, n_{с, я} – начальное количество воздуха в среде при t = 0, ρ_i и μ – начальная плотность и солнечная масса воздуха, для которых в данном исследовании использовались соответственно 1.2 кг/м 3 и 0.029 кг/моль, а V объем хранилища (м 3 ). Адиабатическая зависимость температуры от давления воздуха может быть выражена следующим образом:

в котором C постоянная, принятая равной 10.89 К/Па 2/7 . Подставляя уравнение (6) в уравнение (4), количество запасенного воздуха в среде можно оценить следующим образом:

На основе уравнения идеального газа можно получить следующее соотношение:

Используя уравнения (7) и (8), давление после сжатия (P₂) можно рассчитать следующим образом:

Процесс охлаждения

В процессе охлаждения высокая температура сжатого воздуха возникла в результате процесса сжатия (T₂) должна быть снижена примерно до исходной температуры (T₁). Тепло, извлеченное из воздуха, будет аккумулироваться в отдельном теплоносителе, таком как масло, для последующего процесса нагрева перед стадией расширения. Во время отвода тепла могут быть некоторые потери тепла, что приводит к снижению эффективности. η₂. Зависимость давления и температуры при охлаждении и нагревании считается изохорной, а теплота, отводимая при нулевой работе, прямо пропорциональна изменению температуры. Следовательно, температура в теплоносителе (T_hs), температура хранения (T) и давление (P) воздуха можно определить следующим образом: