Введение к работе
Актуальность темы. В условиях городской застройки г. Перми влияние техно генных факторов, связанных с жизнедеятельностью человека, приводит к интенсивному развитию негативных геодинамических процессов: подтоплению застроенных территорий, изменению влажности глинистых фунтов, приобретению подземными водами агрессивности по отношению к железобетонным конструкциям. Все это существенно снижает устойчивость зданий и сооружений, безопасность их эксплуатации.
В связи с этим актуальным вопросом является усиление оснований фундаментов существующих зданий и сооружений в условиях слабых1 глинистых грунтов. Традиционные способы усиления оснований фундаментов имеют при этом, как правило, низкую эффективность. В настоящее время большое распространение получили способы усиления оснований фундаментов при помощи различных инъекционных элементов. Однако эти способы имеют определенные недостатки: сложность прогнозирования процесса формирования тела инъекционных элементов, трудности при определении характеристик усиленного основания, осадок и несущей способности инъекционных элементов.
Одним из перспективных способов усиления оснований фундаментов является применение компактных конструкций свай с бетонным уширением на конце, обладающих высокой удельной несущей способностью. Наиболее существенными достоинствами таких свай являются: надежность полученных результатов усиления, простота проведения оперативного контроля при производстве работ (контроль объема и давления нагнетаемой смеси). Наряду с достоинствами сваи подобной конструкции обладают определенными недостатками: провоцирование дополнительных осадок фундамента при устройстве уши-рения с помощью бурового оборудования, затруднение контроля формы уши-рения, образованного в основании сваи. Кроме того, работа свай подобной конструкции в слабых глинистых грунтах изучена недостаточно.
Таким образом, дальнейшее совершенствование инъекционных методов позволит повысить эффективность их использования при усилении грунтовых оснований и повышения несущей способности ленточных фундаментов реконструируемых зданий.
В связи с вышеизложенным актуальной задачей является разработка технологически простой конструкции нагнетаемого несущего элемента, обладающего высокой удельной несущей способностью в условиях слабых глинистых грунтов, а также разработка инженерного метода расчета усиления оснований ленточных фундаментов этими элементами. При этом конструкция нагнетаемого элемента должна обеспечивать йозможность контроля его размеров и формы.
Объект исследования - нагнетаемый несущий элемент для усиления грунтовых оснований и повышения несущей способности ленточных фундаментов реконструируемых зданий в условиях слабых глинистых грунтов.
Предмет исследований - влияние размеров нагнетаемых элементов на характеристики усиленного основания, а также влияние длины элементов и шага их расстановки на несущую способность и осадки ленточного фундамента.
Цели диссертационной работы»
Разработка конструкции нагнетаемого несущего элемента, обладающего высокой удельной несущей способностью, применение которой обеспечит высокую степень надежности усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов.
Разработка инженерных методов расчета и рекомендаций по усилению грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
Для достижения целей были поставлены следующие задачи:
1. Разработать конструкцию нагнетаемого несущего элемента, обладающего высокой удельной несущей способностью в условиях слабых глинистых грунтов.
2 Выполнить лабораторные модельные эксперименты по исследованию работы нагнетаемых элементов, включающие:
- разработку и изготовление лабораторной экспериментальной установки для изготовления нагнетаемых элементов и исследования их работы в модельном грунте;
- оптимизацию конструкции элемента, исследование несущей способности и осадок нагнетаемого элемента;
- исследование деформированного состояния грунта вокруг нагнетаемого элемента;
- изучение характеристик уплотненной зоны грунта вокруг нагнетаемого элемента.
3. Выполнить натурные полевые эксперименты, включающие:
- исследование осадок и несущей способности нагнетаемого элемента;
- оценку деформированного состояния грунтового массива вокруг нагнетаемого элемента при его нагружении;
- исследование изменения прочностных и деформационных характеристик грунта вокруг нагнетаемого элемента.
4. Провести теоретические исследования и численное моделирование работы одиночного нагнетаемого несущего элемента, а также элементов совместно с ленточным фундаментом.
5. Разработать инженерные методы расчета усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
6. Разработать рекомендации по усилению грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
Научная новизна работы заключена в том, что выполненные автором исследования позволили получить:
1. Зависимости изменения осадки и несущей способности нагнетаемого элемента от его размеров.
2. Закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик грунта уплотненной зоны нагнетаемого несущего элемента от его размеров и удаления от него.
3. Закономерности изменения размеров зон пластических и упругих деформаций при изготовлении нагнетаемого элемента, а также размеров уплотненной зоны грунта после изготовления нагнетаемого элемента.
4. Инженерные методы расчета усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
5. Рекомендации по производству работ при усилении грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
Достоверность и обоснованность. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов и подтверждены необходимым объемом исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов, При проведении экспериментов использовалась регистрирующая аппаратура, прошедшая поверку в органах стандартизации. Методика экспериментальных исследований соответствует действующим строительным нормам, анализ полученных результатов соответствует современным требованиям.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Предложена конструкция нагнетаемого несущего элемента для усиления грунтовых оснований и повышения несущей способности ленточных фундаментов реконструируемых зданий в условиях слабых глинистых грунтов. Существенным достоинством конструкции нагнетаемого элемента является возможность контроля его размера и формы. При этом элемент рассматривается как свая-стойка при усилении оснований фундаментов и как элемент грунтового массива при усилении оснований.
2. Разработанные методики позволяют выполнять расчет грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов, усиленных нагнетаемыми несущими элементами в условиях слабых глинистых грунтов.
3. Для достижения оптимальных результатов при усилении грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами предложены к использованию рекомендации по производству работ, разработанные на основе результатов выполненных экспериментальных исследований.
Внедрение результатов работы.
Внедрение осуществлено на одном из объектов г. Перми, что подтверждено соответствующим актом о внедрении, а также в учебном процессе при изучении курсов «Технология строительного производства», «Основания и фундаменты», «Реконструкция зданий и сооружений» для студентов строительных специальностей ПГТУ. На защиту выносятся:
1. Разработанная автором конструкция нагнетаемого несущего элемента.
2. Основные результаты модельных и натурных экспериментальных исследований взаимодействия одиночного нагнетаемого несущего элемента с жружающим грунтовым массивом.
3. Результаты численного моделирования работы одиночного нагне-гаемого несущего элемента, а также элементов совместно с ленточным фундаментом,
4. Метод расчета несущей способности и осадок одиночных нагнетаемых элементов, а также элементов в составе ленточного фундамента.
5. Методика расчета усиления грунтовых оснований и оснований лен-гочных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
6. Основные выводы и рекомендации, сделанные на основе анализа выполненных исследований.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Уральской научно-технической конференции «Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003 г.); научно-технических конференциях молодых ученых 2004-2005ГГ. (ПГТУ, г. Пермь); международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, 2005 г.); IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир, ВГУ, 2005 г.); 63-й международной конференции «Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы» (Санкт-Петербург, 2006 г.); конференции «Проблемы механики грунтов и фундаменто-строения в сложных грунтовых условиях» (Уфа, 2006г.).
Основное содержание диссертационной работы отражено в 16 статьях. На конструкцию нагнетаемого несущего элемента получен патент РФ № 52414 от 27.03.2006 г.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, общих выводов, 5-ти приложений и списка литературы, Работа содержит 220 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 149 наименований российских и зарубежных авторов.
