Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Морозное пучение грунта и его влияние на фундаменты искусственных сооружений 11
1.1. Понятие морозного пучения 11
1.2. Мероприятия, направленные на борьбу с морозным пучением 20
1.3. Применение свай различных конструкций и дополнительного оборудования к ним как конструктивный способ борьбы с морозным пучением 26
1.4. Взаимодействие свай с пучинистым грунтом 31
1.5. Проектирование и устройство свайных фундаментов на пучинистых грунтах 35
1.6. Современные данные расчета кустов свайных фундаментов на пучинистых грунтах 44
1.7. Выводы по главе 1 48
Глава 2. Экспериментальные исследования по определению вертикального перемещения куста из двуконусных свай от действия сил морозного пучения в полевых условиях 49
2.1. Цель и методика исследований. Приборы и оборудование 49
2.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки 54
2.3. Исследование взаимодействия куста из двуконусных свай в пучинистом грунте 57
2.4. Выводы по главе 2 65
Глава 3. Экспериментальные исследования взаимодействия кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом 67
3.1. Задачи исследований и методика проведения эксперимента 67
3.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки 78
3.3. Результаты комплексных исследований взаимодействия натурных кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом 80
3.3.1. Несущая способность и осадки кустов 80
3.3.2. Распределение сил трения по боковой поверхности двуконусных свай при их работе в составе кустов в водонасыщенных глинистых грунтах 82
3.3.3. Распределение напряжений и деформаций в активной зоне свайных кустов из двуконусных свай 87
3.4. Выводы по главе 3 93
Глава 4. Методика расчета сил морозного пучения куста из двуконусных свай при моделировании грунта как линейно-деформируемого пространства 95
4.1. Постановка задачи. Основные уравнения 95
4.2. Расчет сопротивления морозному пучению свайного куста 100
4.3. Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации 106
4.4. Аналитический метод расчета зоны уплотнения грунтов вокруг свайных кустов 117
4.5. Определение несущей способности двуконусных свай 121
4.6. Примеры расчета и сравнение расчетных данных с экспериментальными 121
4.7. Выводы по главе 4 128
Глава 5. Оценка технико-экономической эффективности применения кустов из двуконусных свай. область применения фундаментов из двуконусных свай 130
5.1. Расчет технико-экономической эффективности применения кустов из двуконусных свай 130
5.2. Назначение и область применения фундаментов в виде кустов из двуконусных свай 135
5.3. Выводы по главе 5 137
Заключение 138
Библиографический список 140
- Мероприятия, направленные на борьбу с морозным пучением
- Исследование взаимодействия куста из двуконусных свай в пучинистом грунте
- Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации
- Назначение и область применения фундаментов в виде кустов из двуконусных свай
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В условиях широкого распространения сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтов Сибирско-Уральского региона устройство фундаментов транспортных сооружений на естественном основании требует проведения дополнительных мероприятий.
В подобных грунтовых условиях предпочтение отдается свайным фундаментам, поскольку в случае их применения несущая способность сваи по грунту превосходит силы морозного пучения, стремящиеся «вытащить» сваю. Условие устойчивости фундамента при действии сил пучения, как правило, заведомо соблюдено, поэтому необходимость проведения сезонных мероприятий (тепломелиорация, гидромелиорация и т.д.) отпадает. Во многих случаях такие сваи в процессе эксплуатации сооружения (тоннели, эстакады и т.д.) загружены не более чем на 15–30 % от своей максимальной несущей способности.
Применение свай значительной длины обусловлено необходимостью соблюдения условия устойчивости фундамента против сил морозного пучения. В то же время сегодня разработано несколько типов свай, обладающих повышенной сопротивляемостью силам морозного пучения. Это ромбовидные, двуконусные сваи, сваи с уширениями и т.д., позволяющие обеспечивать устойчивость фундамента при действии сил морозного пучения и обладающие достаточной несущей способностью для устройства на них инженерных транспортных сооружений. Исследованиями ученых, разработавших такие типы свай, доказана экономическая эффективность их применения по сравнению с призматическими сваями. Экономический эффект составляет 10–30 % в рублях и до 40 % в материалах для изготовления свай.
На кафедре «Основания, фундаменты и мосты» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) была разработана конструкция сваи, сочетающая положительные стороны пирамидальных и трубчатых свай (полых конических свай).
Конструкцией, вобравшей в себя преимущества конической сваи и обладающей повышенной сопротивляемостью действию сил морозного пучения, стала двуконусная свая, разработанная на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» ПГТУ Б.С. Юшковым, Д.С. Репецким и автором данной работы (авторское свидетельство на полезную модель РФ № 42234).
В транспортном строительстве одиночные сваи применяются крайне редко, поэтому для широкого внедрения двуконусных свай в производство актуальными являются экспериментальные и теоретические исследования особенностей взаимодействия фундаментов из таких свай с грунтовым основанием.
Степень разработанности темы исследования
На сегодня известно достаточное количество трудов российских и зарубежных ученых, работавших в области изучения явления морозного пучения, влияния его на основания и фундаменты инженерных сооружений. Автором рассмотрены основные принципы проектирования и строительства на пучинистых грунтах на основе изучения положений действующей нормативно-технической литературы; приведен обзор мероприятий, направленных на борьбу с морозным пучением; дано описание свай с конструктивными особенностями, обеспечивающими повышенную сопротивляемость свай выпучиванию в условиях сезоннопромерзающих грунтов; освещены данные исследований в области взаимодействия свай с пучинистым грунтом; отражены основные принципы проектирования, технологии устройства и современные данные расчета кустов свайных фундаментов на пучинистых грунтах.
Значительная часть территории Российской Федерации характеризуется распространением в верхней части инженерно-геологического разреза глинистых грунтов. Равнинный характер обширных территорий России, избыточное увлажнение в осенне-весенние переходные периоды года, длительные периоды действия отрицательных температур создают условия для возникновения опасного с точки зрения строительства и эксплуатации инженерных сооружений явления – морозного пучения грунтов. От действия этого неблагоприятного природного явления фундаменты зданий и сооружений получают недопустимые деформации и перемещения, что приводит к ухудшению условий эксплуатации надфундаментных строений, снижению уровня их безопасности и надежности, сокращению сроков их службы, дополнительным затратам на ремонт и реконструкцию.
Проблемой морозного пучения грунтов в первой половине XX в. занимались такие ученые, как П.И. Андрианов, Г.А. Бесков, Я.С. Богданов, А.Я. Боженова, Ч.А. Гогентоглер, М.Я. Гольдштейн, Я.Я. Морарескул., М.И. Евдокимов-Рокотовский, В.Ф. Жуков, Н.Н. Иванов, П.Н. Любимов, П.И. Мельников, Л.А. Мейстер, Н.В. Орнатский, Н.И. Салтыков, Я.Я. Тулаев, О.С. Тэбер, А.Е. Федосов, О.И. Финк, М.Я. Чернышев и др.
Продолжили исследования Л.Г. Абрамов, Я.Д. Кочерова, К.И. Беляев, Г.Я. Бредюк, Г.Ф. Горяинов, Б.И. Далматов, А.И. Дементьев, Я.А. Дорман, М.К. Дружинин, А.М. Горелик, К.В. Егерев, В.М. Егоров, В.М. Соколова, Р.В. Жаброва, А.В. Лыков, Г.П. Мазуров, Э.А. Maрoв, Б.Н. Мельников, В.Б. Швец, Н.Д. Меренков, В.О. Орлов, Ю.Д. Дубнов, А.В. Паталеев, А.С. Алаев, Н.А. Перетрухин, А.М. Пчелинцев, К.Ф. Рябов, Р.М. Саркисян, В.М. Соколова, Д.А. Соколов, Я.А. Толкачев, И.А. Тютюнов, Н.Я. Федорова, Я.Ч. Хархута, Ю.М. Васильев, В.А. Черкашин, Б.Л. Тарасов, А.П. Васильев, О.Р. Голли, А.А. Бартоломей, Б.С. Юшков, И.А. Афанасьев и др.
Большинство исследователей сходится во мнении, что при замерзании вода, увеличиваясь в объеме примерно на 9 %, является причиной морозного пучения грунта, который, в свою очередь, может при этом увеличиться в объеме на 4–5 %. Однако величина морозного пучения грунтов может достигать 10 % и более (чрезмернопучинистые грунты), а значит, происходит подпитка промерзающего слоя дополнительной влагой из теплых нижележащих слоев. Ученые назвали этот процесс миграцией влаги к фронту промерзания. Механизмы такой миграции физически сложны и многообразны. Существует большое количество теорий, выдвинутых такими известными учеными, как Н.А. Цытович, А.А. Ананян, Э.Д. Ершов, М.Н. Гольдштейн, И.А. Тютюнов и др. При этом единого мнения относительно причин такой миграции нет.
Итоговая величина морозного пучения грунта зависит от множества факторов, среди них:
– зерновой и минералогический состав грунта;
– плотность и влажность грунта в период морозного влагонакопления и промерзания;
– способность грунта сопротивляться промерзанию (теплофизические, теплоизоляционные свойства);
– геологические и гидрологические условия местности;
– климатические условия района;
– условия взаимодействия грунта с конструкциями сооружения.
Большое внимание исследователи разных лет уделяли и вопросам воздействия сил морозного пучения на погруженные в грунт фундаментные конструкции. Характер и степень воздействия этих сил на фундаменты зависит в первую очередь от глубины его заложения. При этом различают нормальные силы пучения и касательные силы пучения.
Нормальные силы пучения действуют в вертикальном направлении (по нормали к подошве фундамента) и в горизонтальном направлении (как бы обжимая фундамент в горизонтальном направлении со всех сторон).
Касательные силы пучения действуют по боковой поверхности фундамента, и величина их во многом зависит от прочности смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента.
На сегодня разработан целый комплекс мероприятий по недопущению морозного пучения грунтов оснований и выпучивания фундаментов. К ним относятся:
1) инженерно-мелиоративные мероприятия;
2) строительно-конструктивные мероприятия;
3) физико-химические мероприятия;
4) физические противопучинные мероприятия.
При этом существуют общестроительные документы, регламентирующие методики расчетов и применение мероприятий по борьбе с морозным пучением (СНиПы, Рекомендации, Руководства), а также отраслевые и ведомственные методические рекомендации (в промышленно-гражданском строительстве, дорожном строительстве, мостовом строительстве), в которых отражены особенности отрасли и возводимых инженерных сооружений. Так, например, в дорожном строительстве главным методом борьбы с пучинообразованием является замена пучинистого грунта непучинистым в верхней части земляного полотна. Этот метод традиционно считается наиболее надежным и в большинстве случаев экономически целесообразным. В мостовом строительстве, напротив, при возведении опор моста принято работать с имеющимся грунтом, так как замена грунта в большинстве случаев технически сложна с точки зрения производства работ и контроля качества строительства в условиях постоянных водотоков.
Следовательно, не существует единого набора мероприятий, применив которые можно гарантированно обезопасить любое искусственное инженерное сооружение от деформаций и разрушений вследствие действия сил морозного пучения. Всегда при выборе мероприятий следует руководствоваться особенностями местных условий, применяемых материалов и конструкций, экономическими соображениями и т.д. Очевидно, что одновременное применение различных мероприятий в определенных сочетаниях позволит достичь главной цели – эффективной и безопасной работы инженерного сооружения в течение запланированного расчетного срока службы. Однако применение комплекса мер требует и комплекса затрат, что на этапе производства работ нулевого цикла существенно удорожает стоимость строительства в целом.
Конструкции свай для борьбы с морозным пучением, разработанные различными авторами, и фундаменты с их использованием, безусловно, заслуживают внимания, но, как показывает практика, не находят широкого применения. В настоящее время для устройства свайных фундаментов на пучинистых грунтах широко рекламируются винтовые сваи, но, целиком изготавливаемые из металла, они, бесспорно, проигрывают железобетонным изделиям по экономическим соображениям. Таким образом, сохраняется необходимость совершенствования самих свай и фундаментов из них, а также методов расчета свайных фундаментов с целью сведения к минимуму влияния на сооружения сил морозного пучения.
На основании проведенного анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи исследования.
Цель и задачи исследования
Цель исследования: разработка и расчетное обоснование эффективного способа устройства фундаментов из двуконусных свай для транспортных сооружений на водонасыщенных пучинистых глинистых грунтах.
Объект исследования: фундаменты из двуконусных свай, внедренные в сезоннопромерзающие водонасыщенные глинистые грунты, для устройства несущих элементов транспортных сооружений.
Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние водонасыщенного пучинистого грунтового основания при взаимодействии его с фундаментами из двуконусных свай.
Задачи исследования:
– изучить закономерности изменения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, погруженных в водонасыщенный пучинистый грунт в составе фундамента в виде куста, от действия сил морозного пучения;
– выявить особенности взаимодействия фундаментов из двуконусных свай и одиночной сваи по результатам статических испытаний и определения несущей способности, сил трения по боковой поверхности свай, изучения распределения напряжений и деформаций в активной зоне;
– разработать методику расчета величины вертикального перемещения фундамента из двуконусных свай силами морозного пучения.
Научная новизна исследования
На основании результатов экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности совместной работы фундаментов из двуконусных свай с водонасыщенным глинистым грунтом, которые позволили разработать аналитический метод расчета вертикальных перемещений фундаментов от действия сил морозного пучения.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
– в доказательстве экономической эффективности использования фундаментов в виде кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах на основе разработанной методики расчета, позволившей приблизить несущую способность сваи по материалу к несущей способности грунта;
– в разработке инженерного метода расчета фундаментов из двуконусных свай по деформациям пучения.
Результаты исследования реализованы:
– в проекте фундаментов при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия ООО«Урал-Тайзер», г. Пермь. Экономический эффект составил 314 тыс. руб. в ценах 2011 г. (Акт внедрения научно-исследовательской работы ГОУ ВПО ПНИПУ–ООО «Урал-Тайзер» от 29.03.2013г.);
– в разработке «Рекомендаций по применению фундаментов из двуконусных свай на пучинистых грунтах транспортных сооружений». Документ утвержден на уровне Министерства транспорта Пермского края;
– в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты транспортных сооружений» для студентов, обучающихся по учебным планам специальностей САД и МТТ.
Методология и методы исследований:
1) анализ существующих методов борьбы с морозным пучением в транспортном строительстве на основе отечественного и зарубежного опыта;
2) проведение экспериментальных исследований по определению величины выпучивания куста из двуконусных свай силами морозного пучения в полевых условиях;
3) анализ данных наблюдений:
– за величиной вертикальных перемещений свайного фундамента, вызванных силами морозного пучения;
– глубиной промерзания грунтового основания;
– изменением суммарной величины касательных сил морозного пучения, действующих на свайный фундамент с течением времени;
4) разработка инженерного метода расчета фундаментов из двуконусных свай по деформациям пучения;
5) проведение полевых экспериментальных исследований взаимодействия кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом;
6) анализ данных полевых наблюдений взаимодействия свай с грунтом и НДС грунтового основания в процессе статического нагружения фундамента;
7) оценка технико-экономической эффективности применения фундаментов из двуконусных свай согласно «Инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений» СН 509-78;
8) сравнение результатов, полученных экспериментальным путем, с расчетными величинами.
Положения, выносимые на защиту:
– закономерности изменения вертикальных перемещений кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах от действия сил морозного пучения, выявленные на основании выполненных комплексных экспериментально-теоретических исследований;
– расчетная схема и инженерный метод определения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, работающих в составе кустов, от действия сил морозного пучения;
– выявленные зависимости несущей способности фундаментов из двуконусных свай, сил трения по боковой поверхности свай, распределения напряжений и деформаций в активной зоне основания на основе результатов комплексных экспериментальных исследований;
– основные выводы и рекомендации по применению фундаментов в виде кустов из двуконусных свай;
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов обеспечивается:
– использованием в работе стандартных методов исследования, основанных на применении современных представлений о сопротивлении материалов, механике деформирования грунтов, теории упругости;
– выполнением комплексных полевых экспериментальных исследований с использованием апробированных контрольно-измерительных комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных средств измерения;
– сравнением полученных в работе экспериментальных результатов с аналитическими данными и данными других исследований.
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (г. Пермь, 2004–2012 гг.); на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья–2004»; на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (г. Пермь, 2005 г.). Основные результаты работы изложены в 9 научных статьях, 2 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получен 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 114 наименований, в том числе 7 на иностранном языке.
Специальность, которой соответствует диссертация
Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения, п. 5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах»; п. 12 «Разработка научных основ, методов и конструктивных решений защиты территорий, а также конструктивных решений оснований и фундаментов, реализующих функцию защиты зданий и сооружений от опасных природных и техногенных воздействий».
Мероприятия, направленные на борьбу с морозным пучением
Мероприятия, направленные на борьбу с пучинообразованием условно можно разделить на группы в зависимости от причин образования пучин.
А.П. Васильев [14] выделяет три необходимых и достаточных причины пучинообразования на автомобильных дорогах.
1. Наличие массива пучинистого грунта определенной толщины в зоне промерзания.
2. Интенсивное влагонакопление до определенной относительной влажности.
3. Медленное и глубокое промерзание грунта на определенную глубину.
Согласно обозначенным причинам назначаются и группы мероприятий по предотвращению морозного пучения:
1. Замена пучинистого грунта непучинистым или работы по полезному изменению свойств пучинистого грунта.
2. Регулирование водного режима земляного полотна.
3. Регулирование теплового режима земляного полотна.
В «Руководстве...» [67] предлагается целый комплекс различных мероприятий по недопущению морозного пучения грунтов оснований и выпучивания фундаментов. К таким мероприятиям относятся:
1. Инженерно-мелиоративные мероприятия:
1.1. Тепломелиорация, предполагающая устройство теплоизоляции для местного утепления грунта вблизи фундаментов (пассивный способ) либо прокладка вблизи фундамента коммуникаций, выделяющих в грунт тепло (активный способ).
1.2. Гидромелиорация, заключающаяся главным образом в понижении уровня грунтовых вод и осушении сезоннопромерзающего слоя, а также в проведении мероприятий, направленных на устранение увлажнения поверхностными осадками (поверхностный водоотвод, вертикальная планировка).
2. Строительно-конструктивные мероприятия:
2.1. Мероприятия для снижения величины усилий, выпучивающих фундаменты;
2.2. Заанкеривание фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже сезоннопромерзающего слоя;
2.3. Приспособление конструкций фундаментов и наземной части зданий к неравномерным деформациям пучинистых грунтов, например, путем устройства фундаментов рамной конструкции или в виде сплошной железобетонной плиты (рис. 1.1);
3. Физико-химические мероприятия:
3.1. Специальная обработка грунтов вяжущими, благодаря чему грунты теряют свои пучинистые свойства.
Гидрофобизация грунтов, т.е. придание грунту водоотталкивающих свойств, производится путем обработки его значительными дозами вяжущего и перемешиванием с вяжущим при определенных условиях. В качестве вяжущих могут применяться жидкие нефтяные битумы, дегти различного про исхождения, различные смолы и другие материалы. Для придания грунту требуемых характеристик водостойкости и прочности в жидкие битумы дополнительно добавляют различные поверхностно-активные вещества:
- органические (кислоты и фенолы, а также смолы);
- неорганические (например, цемент, известь).
Для предохранения фундаментов зданий и инженерных сооружений от выпучивания рекомендуется устраивать «рубашку» из гидрофобного грунта вокруг фундаментов толщиной 0,15-0,25 м в пределах всей глубины слоя сезонного промерзания (рис. 1.2). Гидрофобный грунт необходимо укладывать слоями, толщиной по 20-30 см с тщательным уплотнением каждого слоя до требуемого коэффициента уплотнения. Перед укладкой сухую смесь необходимо увлажнять до оптимальной влажности, чтобы достичь максимальной плотности при уплотнении.
3.2. Насыщение грунта растворами солей, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта.
Проведение такого мероприятия, однако, вызывает кратковременный эффект (на срок не более 1-2 лет), если грунты не защищены от действия на них грунтовых и длительно стоящих поверхностных вод.
Для засоления грунтов применяют хлористый натрий, кальций и магний. Наиболее эффективными солями считаются хлористый натрий и кальций, понижающие температуру замерзания ниже -20 С.
Работы по засолению грунтов, прилегающих к фундаментам, могут производиться двумя основными методами:
1) грунт обратной засыпки обрабатывают соляными растворами и укладывают в пазухи котлована (рис. 1.3, а);
2) устраивают шпуры в незасоленных грунтах, прилегающих к фундаменту (рис. 1.3, б), которые набивают чистой кристаллической солью и заливают насыщенным раствором той же соли.
Исследование взаимодействия куста из двуконусных свай в пучинистом грунте
В ходе исследования взаимодействия кустов из 4 двуконусных свай с пучинистым грунтом было необходимо определить действительную глубину промерзания на опытной площадке.
В соответствии со СНиП 2.02.01-83 (2000) [77] глубина промерзания грунтов должна приниматься равной средней из ежегодных максимальных глубин промерзания (общее время наблюдений при этом не может быть менее одного десятилетия) на очищенной от снежно-ледяных отложений площадке. Расположение уровня грунтовых вод при этом должно быть ниже предполагаемой глубины промерзания грунта. Не имея данных таких наблюдений, можно приблизительно оценить глубину промерзания грунта по формуле
Воспользовавшись упрощенной методикой, получаем среднюю глубину сезонного промерзания грунтов для интересующей местности: djh = ф - Щ= 0,23 754 6 = 1,7 м. Тем не менее, принимая во внимание непостоянство климата и понимая важность определения действительных значений ежегодной глубины промерзания грунта на экспериментальной площадке, было принято решение использовать мерзлотомеры, изготовленные по образцу мерзлотомера Данилина (рис. 2.7).
Определение действительных ежегодных значений глубины сезонного промерзания грунта проводилось согласно ГОСТ 24847-81 [25] и ГОСТ 26262-84 [26].
По полученным результатам построены графики промерзания пучинистого грунта на экспериментальной площадке сезонов 2006/2007 и 2007/2008 гг. (рис. 2.8).
Из рисунка видно, что средняя глубина промерзания, определенная по упрощенной зависимости, приведенной выше, существенно отличается от действительной ежегодной. Максимальное значение глубины промерзания достигло значений 1,36 и 1,52 м в периоды наблюдений 2006/2007 гг. и 2007/2008 гг. соответственно.
Следовательно, упрощенная методика расчёта не даёт возможности достоверной оценки значений промерзания грунта. Тем не менее для проектирования и расчета свайных фундаментов необходимо принимать среднюю расчетную глубину промерзания, определенную с заданной вероятностью превышения значений. Считаем, что в целях достижения более высокой точности получаемых данных и их объективного последующего сравнения для проведения экспериментальных полевых работ следует определять действительную ежегодную глубину промерзания.
Методика определения величины выпора куста из двуконусных свай при деформации пучения окружающего грунта приведена в п. 2.1.
В ходе экспериментальных работ, кроме взятия отсчетов вертикальных перемещений свай и определения глубины промерзания, проводился мониторинг температуры окружающего воздуха. По полученным значениям, после их соответствующей обработки, вычерчены графики, показанные на рис. 2.9.
По графику видно, что время установившихся отрицательных температур длится с ноября до начала апреля. Согласно исследованиям А.Л. Невзорова [53] изменение температуры грунта происходит с опозданием в среднем на 1-2 мес. относительно изменения температуры окружающего воздуха. Верность этого утверждения подтверждается тем, что процесс морозного пучения продолжается ещё какое-то время после установления положительных температур воздуха весной, это также отмечено рядом ученых. Принимая во внимание сказанное, вертикальные отметки оголовков свай снимались также и в апреле, после перехода температуры воздуха через 0 С.
В ходе оценки данных видно, что все сваи в кусте показывают близкие значения вертикальных перемещений при работе в сезоннопромерзающем водонасыщенном глинистом грунте (WecT=2S-32 %, /i=0,57-0,64, /р=0,2-0,22).
Так, за период 2006/2007 гг. сваи в среднем поднялись от 1,4 мм (сваи № 1, 4) до 1,6 мм (свая № 3).
В следующий сезон наблюдений, 2007/2008 гг., подъём свай составил от 0,1 мм (свая № 3) до 0,4 мм (свая № 4).
Окончательно за два сезона наблюдений суммарное вертикальное перемещение свай от действия сил морозного пучения составило не более 1,8 мм.
Из полученных данных следует, что за период полного оттаивания грунта после первого зимнего сезона ни у одной из свай не произошло уменьшение величины вертикальных перемещений, то есть ненагруженные сваи не дают осадку после оттаивания грунта.
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 2.11, показал, что подъем свай силами морозного пучения начинает развиваться задолго до достижения максимальной глубины промерзания и доходит до своего пика уже после начала процесса уменьшения глубины промерзания (разница во времени составляет 1-1,5 мес). h, мм
Далее рассмотрим, как изменяются отметки дневной поверхности грунта от времени при действии сил морозного пучения на основе анализа данных перемещений поверхностных марок-пучиномеров за зимний период 2006/2007 гг. Данные представлены на рис. 2.12.
Полученные данные подтверждают известное положение о том, что при расстоянии между сваями в кусте 3d сваи вместе с грунтом работают как единый условный грунтосвайный массив. Марка, расположенная в центре куста, по итогам сезона наблюдений, поднялась на 2,1 мм, в то время как средний подъем свай куста составил 1,5 мм. При удалении от уплотненной грунтовой зоны свайного куста наблюдается увеличение абсолютных значений подъема дневной поверхности, что свидетельствует о большей интенсивности морозного пучения грунта в естественном состоянии по сравнению с уплотненным при вдавливании свай грунтом околосвайного пространства.
На рис. 2.13 приведены данные определения вертикальных усилий (вызванных действием касательных сил морозного пучения), с которыми морозное пучение действует на свайный куст.
При морозном пучении грунт неравномерно увеличивается в объёме, примерзая к поверхности погруженных в него свай, это обуславливает возникновение нормальных и касательных напряжений на поверхности свайного фундамента в пределах промерзающей толщи. На поверхности свай развиваются силы морозного пучения.
В ходе промерзания в грунте вокруг сваи, на определенном удалении от поверхности сваи, тоже начинает развивается напряженно-деформированное состояние. Значительные растягивающие и касательные напряжения являются особенностью распределения полей напряжений вблизи боковой поверхности фундамента в грунте в ходе морозного пучения.
Величина сил морозного пучения, действующих на свайный фундамент, пропорциональна величине напряжений в грунте вокруг его боковой поверхности. Может быть достигнут некоторый уровень напряженно-деформированного состояния окружающего фундамент грунта, при котором напряжения в грунте достигнут предельных значений, соответствующих прочности на растяжение или сдвиг, и это неизбежно приведет к разрушению грунта. Такое явление можно наблюдать в сильные морозы на площадях, свободных от снежного покрова, когда трещины в грунте появляются с определенным шагом, так называемые морозобойные трещины. Это явление особенно широко распространено в северных районах не только во влажных дисперсных породах, но и в монолитных кристаллических массивах.
Таким образом, можно утверждать, что силы морозного пучения и соответствующие им деформации свайных фундаментов ограничиваются определенными значениями деформационно-прочностных характеристик распу-чинивающегося окружающего сваи грунта. Если к боковой поверхности фундамента прилегает насыпной грунт, лишенный в некоторой степени сплошности, связности, то и величина сил морозного пучения, и деформации свайного куста будут ограничены уровнем, соответствующим уровню деформационно-прочностных характеристик такого грунта.
Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации
При погружении свай в водонасыщенный глинистый грунт происходит его вытеснение в стороны под действием кратковременных, но значительных усилий, достаточных для уплотнения. Грунт уплотняется за довольно малый отрезок времени, и вода не успевает отфильтроваться, так как коэффициент фильтрации у глинистого грунта очень мал, и это приводит к объемному сжатию грунта, а следовательно, к возникновению дополнительного давления поровой жидкости. Дополнительное давление поровой жидкости проти воположно эффективному давлению, создающему силы трения по боковой поверхности свай куста, поэтому силы трения по боковой поверхности свай оказываются уменьшенными до тех пор, пока не завершится рассасывание дополнительного давления.
Появление дополнительного давления в поровой жидкости вызывает разницу в напорах поровой жидкости на границе «свая-грунт» и на некотором расстоянии от неё. В результате этого происходит фильтрация жидкости из грунта с большим напором в сторону грунта с гидростатическим напором. С течением времени происходит постепенная релаксация напряжений, дополнительное давление в поровой жидкости рассасывается до гидростатического, при этом эффективное давление в скелете грунта возрастает до стабилизированного значения за счет возникновения новых внутренних структурных связей в грунте и их последующего упрочнения. Силы трения грунта по боковой поверхности свай достигают максимального значения, что приводит к увеличению несущей способности свайного фундамента.
Закономерность изменения порового давления вокруг свайного фундамента можно получить на основе обобщенной теории фильтрационной консолидации, предложенной Н.А. Цытовичем и А.В. Флориным.
Размеры свайного фундамента в плане существенно меньше длины свай, а распределение напряжений и деформаций в поперечном сечении одинаково по всей длине в пределах нижнего конуса свай, поэтому для расчета изменения дополнительного давления поровой жидкости и изменения сил трения по боковой поверхности свай фундамента и на различном расстоянии от неё используем решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации. Радиус фундамента выберем из условия равенства площадей боковой поверхности прямоугольного и условного кругового фундаментов
Решение пространственной задачи теории фильтрационной консолидации выполнено с учетом закономерностей передачи нагрузки через боковую поверхность фундамента и в плоскости острия, размеров свайного фундамента, коэффициента бокового расширения грунта, сжимаемости поровой жидкости и структурной прочности грунта при сжатии. Для пространственной задачи дифференциальное уравнение фильтрационной консолидации с учетом сжимаемости поровой жидкости и структурности грунта можно записать в виде
Так как левая часть равенства зависит только от t, а правая только от г, это равенство возможно лишь тогда, когда обе части равны одному и тому же постоянному числу. Из физических условий задачи следует, что это число не может быть положительным. Обозначив его с[п2, получим из (4.63)
Назначение и область применения фундаментов в виде кустов из двуконусных свай
Результаты полевого эксперимента по определению величины выпора фундамента в виде куста из двуконусных свай силами морозного пучения свидетельствуют о высокой устойчивости предложенной конструкции в условиях сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтов.
Фундаменты в виде кустов из двуконусных свай можно применять в пучинистых и слабопучинистых грунтах без ограничений.
В сильнопучинистых грунтах для достижения более высокого уровня надежности фундаментов дополнительно рекомендуется:
- производить погружение свай методом вдавливания;
- щель вокруг головы сваи, образованную при вдавливании, засыпать непучинистым материалом (непучинистыми грунтами I группы, песком природным и из отсевов дробления, щебнем крупностью до 40 мм, песчано-гравийной смесью, а также смесью из перечисленных материалов).
Инженерно-геологические условия II дорожно-климатической зоны нередко характеризуются наличием в верхней толще литологического разреза водонасыщенных пучинистых глинистых грунтов, служащих основанием зданий и инженерных сооружений. Высокий уровень грунтовых вод, непродолжительный летний период, длинные холодные зимы в дополнение к указанным особенностям грунтовых условий предопределяют преимущество использования в качестве фундаментов зданий и сооружений свай, обладающих повышенной сопротивляемостью действию сил морозного пучения.
Анализируя неоднородность напластований грунтов по глубине оснований свайных фундаментов, можно выделить такие типы инженерно-геологических разрезов площадок, при которых чередование положения по глубине основания условно слабого слоя обусловливает конструктивный тип свай и их длину. Например, при наличии на глубине слабого слоя применение призматических свай большой длины нецелесообразно, в то же время двуконусные сваи в пределах верхнего более прочного слоя становятся более эффективными и т.д.
В практике строительства фундаментов сооружений (в том числе транспортных) одиночные сваи применяются крайне редко, гораздо чаще в виде кустов или рядов.
Применение фундаментов в виде кустов из двуконусных свай рекомендуется при строительстве малых искусственных сооружений, путепроводов, эстакад, тоннелей, малоэтажных неотапливаемых зданий, трансформаторных подстанций и других сооружений.
