Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и анализ методов исследований и расчета свайных фундаментов на горизонтальные нагрузки
1.1 Значение несущей способности свай для проектирования и строительства зданий и сооружений
1.2 Основная классификация аналитических методов расчета свай на горизонтальные нагрузки
1.2.1 Методы рассматривающие сваю, как абсолютно жесткий стержень
1.2.2 Методы, учитывающие гибкость и деформируемость сваи
1.3 Обзор исследований свайных фундаментов с позиции их рационального проектирования
1.4 Обзор численных исследований работы свайных фундаментов 23
Выводы по разделу 1 25
2 Расчет несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки
2.1 Общие положения предлагаемого метода расчета 29
2.2 Формулы для определения несущей способности свай на горизонтальную и на моментную нагрузку
2.3 Методика определения несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузку (в относительных переменных)
2.4 Основные результаты расчета несущей способности по предлагаемой методике с анализом особенностей работы свай
2.5 Расчет несущей способности свай в водонасыщенных грунтах 43
Выводы по разделу 2 49
3 Экспериментальные исследования несущей способности свай на воздействие горизонтальных нагрузок
3.1 Методика и результаты лотковых экспериментальных исследований
3.2 Методика и результаты натурных испытаний несущей способности одиночной сваи
Выводы по разделу 3 68
4 Численные исследования взаимодействия свай с грунтовым массивом при нагружении горизонтальными силами
4.1 Численное моделирование лотковых испытаний сваи 71
4.2 Численное моделирование натурных испытаний сваи 75
4.3 Оценка влияния формы поперечного сечения сваи на несущую способность
Выводы по разделу 4 81
5 Рациональное проектирование свайных фундаментов 83
5.1 Схема метода перемещений 83
5.2 Каноническая система уравнений метода перемещений при достижении усилиями в некоторых сваях значений их несущей способности
5.3 Примеры расчета свайного фундамента по предлагаемой методике
5.3.1 Расчет свайного фундамента с симметричной расчетной схемой 98
5.3.2 Расчет свайного фундамента с несимметричной расчетной схе- 101 мой
5.4 Применение методики рационального проектирования свайных фун- 105
даментов к расчету подпорных (ограждающих) сооружений
Выводы по разделу 5 108
Заключение ПО
Список литературы
- Методы рассматривающие сваю, как абсолютно жесткий стержень
- Формулы для определения несущей способности свай на горизонтальную и на моментную нагрузку
- Методика и результаты натурных испытаний несущей способности одиночной сваи
- Численное моделирование натурных испытаний сваи
Методы рассматривающие сваю, как абсолютно жесткий стержень
За рубежом особенности воздействия грунтового основания и свайного фундамента в том числе на горизонтальной нагрузки исследовался экспериментально и численно, например, D.R. Basu, R. Salgado [78, 79], C.Y. Chen, G.R. Martin [90], J. L. Pan, A.T.C. Goh, K.S.Wong [109], H.G. Poulos, J.P. Carter, J.C. Small [110], S. Jeong, B. Kim, J. Won [100], С M. Martin, M.F. Randolph [103], L.B. Feagin [97], В. B. Broms [81, 82] и др. В зарубежной литературе принято различать активную и пассивную нагрузки на сваи. Нагрузки, воздействующие непосредственно на голову сваи через ростверк (мосты, здания и т.д.), называют активными нагрузками (L.C. Reese, W.F. Van Impe [112]). Нагрузки, воздействующие на значительную часть сваи или шпунтового ограждения и передающиеся через грунт (ограждения котлованов, подпорные сооружения, сооружения на оползневых склонах) считаются пассивными нагрузками.
Несмотря на большое количество проведенных исследований и полученных положительных результатах, до настоящего времени остаются нерешен 23 ным ряд задач. Например, при стандартном алгоритме проектирования в соответствии с СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» и СП 24.13330.2011«Свайные фундаменты» при потере несущей способности одной из свай в кусте, весь фундамент считается потерявшим несущую способность.
В то же время, по данным экспериментальных исследований О.А. Шу-лятьева и А.И. Харичкина [74]: «Усилия в угловой свае в 2,3 раза больше усилий в "центральной" и в 1,9раза больше, чем в периметральной. Усилия в периметральной свае в 1,3 раза больше усилий, возникающих в центральной свае». Это наводит на мысль о возможности допущения перераспределения нагрузок между сваями таким образом, чтобы не одна свая, а несколько свай могли работать в предельном состоянии с обеспечением эксплуатационной надежности.
Разработка нового метода расчета свайных фундаментов с позиции их рационального проектирования, с учетом перераспределения нагрузок между сваями, является актуальной задачей и решена автором в предлагаемой работе.
Экспериментальные исследования совместной работы ростверка и свай в составе свайных фундаментов выполнить в натурных условиях, как правило, сложно и дорого. Проведение же экспериментов на моделях в лаборатории требует соблюдения условий моделирования с целью переноса данных лабораторных испытаний на соответствующие характеристики работы конструктивных элементов натурных свайных фундаментов [103, 105], что также является достаточно серьезной задачей для широкого применения. Во многих случаях более эффективными методами, позволяющими учесть взаимодействие фундамента с грунтовым массивом, являются численные методы расчета, включая методы: конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов. Наиболее распространенным в настоящее время является метод конечных элементов (МКЭ). Он позволяет решать сложные пространственные задачи с учетом неод нородности сложения грунтового массива и его нелинейной работы. Существует большой выбор программных комплексов, основанных на МКЭ. Среди них: «PLAXIS», «MIDAS», «ANSYS» и др. Некоторые из этих программ, такие как «PLAXIS 3D», «MIDAS GTS» позволяют моделировать свайные фундаменты транспортных сооружений и окружающий массив грунта с учетом особенностей их взаимодействия и технологии их строительства. Все это и определило выбор МКЭ и программного комплекса «MIDAS GTS» как инструмента для проведения численного эксперимента.
В России вопросам численного исследования взаимодействия системы «свайный фундамент - грунтовый массив» посвящено огромное количество работ, в которых наряду с наиболее общими вопросам взаимодействия свайных фундаментов с грунтовым массивом и с надземными конструкциями, также рассматриваются специальные вопросы по учету и оценки влияния отдельных специфических факторов. Здесь, прежде всего, следует отметить труды: А.А. Бартоломея [2], А.Л. Готмана [12], А.А. Григорян [14], А.Б. Пономарева [47], В.А. Ильичева [19], С.А. Кудрявцева [27], Р.А. Мангушева [33], В.Н. Парамонова ], И.И. Сахарова, Н.И. Лыкова [53], Ю.И. Соловьева [58], Е.А. Сорочан, В.И. Быкова [59], А.С. Строганова [62], З.Г. Тер-Мартиросяна [63], В.М. Улиц-кого, А.Г. Шашкина К.Г. Шашкина [67], А.Б. Фадеева [68,69], В.Г. Федоровского 1] и др.
Численными исследованиями свайных фундаментов за рубежом занимались F. Cai, К Ugai [87], J.P. Carter, С. S. Desai, D. M.Potts, H.F. Schweiger [88, 89], M.F. Bransby, S. Springman [80], W.Y. Shen, C.I. The [115], E.M. Comodromos, M.C. Papadopoulou, I.K. Rentzeperis [91], M. De Vos, V. Whenham [93], J.M. Duncan, M.D. Robinette, R L. Mokwa [94], C.C. Fan, J.H. Long [96], S. Karthigeyan, V.V. Ramakrishna, K. Rajagopal [101], D.E.L. Ong, C.F. Leung, Y. K. Chow [108], M.F. Randolph [111], A. Verruijt, A.P. Kooijman [119], L. Zhang, F. Silva, R. Grismala, [123, 124] и др.
Вместе с тем хорошо известно, что при определении предельной нагрузки в конечно-элементных расчетах зачастую возникают трудности с обоснованно 25 стью и надежностью этой оценки - она, в частности, может оказаться существенно завышенной (см., например, [67]). Таким образом, в численном анализе работы свай на горизонтальную и моментную нагрузки с использованием программ базирующихся на методе конечных элементов можно считать наиболее рациональным следующий подход. Определив по предлагаемому в работах [26, 43] методу, величину несущей способности сваи на горизонтальную Fdh и моментную Fdm нагрузки, выполнять учет различных дополнительных факторов, влияющих на напряженно-деформированную систему «свая-грунт», с помощью МКЭ, не превышая при этом в конечно-элементном расчете полученных
Формулы для определения несущей способности свай на горизонтальную и на моментную нагрузку
Рассмотрим случай сваи в водонасыщенном грунте. Как известно, при водонасыщении грунта не только происходит снижение его прочностных характеристик, но и имеет место передача части внешнего давления на воду, которая, в частности, не воспринимает касательных напряжений. Условие прочности водонасыщенного грунта имеет вид [57]:
Здесь принято: ф и с - параметры прочности водонасыщенного грунта, определяемые в консолидированно-дренированных испытаниях, Р - коэффициент мгновенного порового давления, равный отношению избыточного порового давления и и полного среднего напряжения с: - среднее эффективное напряжение, достигнутое в точке грунта к моменту его догружения до предельного состояния; G - среднее эффективное напряжение, достигаемое в точке грунта при его нагружении до предельного состояния (т.е. действующее непосредственно в предельном состоянии).
Оценивать прочность водонасыщенного грунта, непосредственно окружающего сваю, здесь предлагается по той же методике, что и заложена в СП, т.е. как разность активного и пассивного давлений водонасыщенного грунта. Найдем величины активного и пассивного давлений для этого случая. Запишем закон прочности (2.9) в виде:
Определим эффективные напряжения, действующие к моменту догружения основания до предельного состояния, бытовыми гидростатическими напряжениями: п где индекс «g» указывает на бытовое напряженное состояние, f„ - некоторая равномерно распределенная нагрузка на поверхности грунта.
Принятое допущение о гидростатическом характере бытовых напряжений требует комментария. Подобный подход довольно часто встречается в геотехнических задачах, например, при определении первой критической нагрузки на горизонтальное основание (известная задача проф. Н.П. Пузыревского и основанное на ней понятие расчетного сопротивления основания ленточных фундаментов) или в некоторых схемах расчета методом конечных элементов.
По аналогии с [57] величины Hmjsat и Мщш1 будем называть начальной или минимальной несущей способностью сваи на горизонтальную и момент-ную нагрузки в водонасыщенных грунтах.
Введение терминов «начальная» и «минимальная» обусловлено тем, что данная несущая способность достигается в наиболее неблагоприятных условиях, т.е. когда в водонасыщенном основании к моменту его нагружения действуют только бытовые напряжения. Из анализа формул (2.9) и (2.10) непосредственно следует, что в этом случае прочность водонасыщенного грунта будет минимальной. Если дополнительно перед испытанием сваи пригрузить основание, то это увеличит значение а0 , и, следовательно, к. На рис. 2.7 показаны графики зависимости ,(ср) для разных значений коэффициента мгновенного порового давления Р, а на рис. 2.8 даны графики ,ф) для разных ф.
Из приведенных графиков видно, что коэффициент , в целом незначительно снижает несущую способность, однако, достаточно для того, чтобы его учитывать в практических расчетах. Наибольшее снижение несущей способности свай - в 2 раза - достигается при Р = 1 и ф = 45, когда понижающий коэффициент , = 0,5. С практической точки зрения это маловероятная ситуация, поскольку грунт с таким углом внутреннего трения - это в редком случае граве-листый песок, а, как правило, это - дресва, гравий, галечник или щебень. В данных грунтах процессы консолидации протекают очень быстро, и не оказывают сколько-нибудь ощутимого влияния на напряженно-деформированное состояние грунта. Более важный для практики случай - это углы внутреннего трения 15...25. В таких грунтовых условиях несущая способность сваи будет снижаться на величины от 5 до 20%.
Другой аспект предлагаемого решения заключается в том, что изначальная формулировка условия прочности грунта, окружающего сваю, как разность пассивного и активного давлений не всеми специалистами воспринимается безоговорочно, и хотя данный расчет вошел в практику проектирования оснований и геотехнических расчетов, вопросы к нему со стороны специалистов остаются. Следовательно, в принципе возможна ситуация, при которой снижение прочности водонасыщенного грунта может оказаться даже более значительным, чем это можно ожидать, исходя из приводимых оценочных расчетов. Вместе с тем, следует помнить, что используемый подход (ох ои = ор- ja) приводит нас не к полной потере устойчивости грунта, а, скорее, к аналогу первой критической нагрузки, что обеспечивает общий, вполне приемлемый запас прочности.
Методика и результаты натурных испытаний несущей способности одиночной сваи
По результатам анализа полученных экспериментальных данных можно сделать важный промежуточный вывод. Предлагаемый в разделе 2 метод расчета несущей способности свай по грунту фактически дает возможность оценить такую нагрузку, которая может быть рассмотрена как аналог первой критической нагрузки для соответствующей схемы работы свайного фундамента, т.е. содержит определенный запас прочности. 3.2. Методика и результаты натурных испытаний несущей способности одиночной сваи
В настоящем подразделе рассмотрены основные результаты, полученные при проведении полевых (натурных) испытаний свай на горизонтальную и мо-ментную нагрузки. Испытания проводились на трех объектах в г. Новосибирске и Новокузнецке [29]. Объект №1 (комплекс жилых домов переменной этажности с сопутствующими помещениями) располагается в Заельцовском районе г. Новосибирска по ул. Овражная [65]. Объект №2 (торгово-развлекательный центр) располагается в Заельцовском и Калининском районах г. Новосибирска по ул. Танковая [66]. Объект №3 (комплекс установки вдувания пылеугольного топлива в доменные печи ОАО «ЗСМК») располагается на территории действующего Западно-Сибирского Металлургического Комбината (ЗСМК) в г. Новокузнецке [64].
Целью проведения испытаний было получение опытной зависимости горизонтального перемещения головы сваи от горизонтальной нагрузки.
Испытания свай статическими горизонтальными нагрузками проводились по стандартной методике согласно ГОСТ 5686-94 п. 8.6. «Грунты. Методы полевых испытаний сваями».
Испытываемые сваи нагружались ступенями. Переход к следующей ступени нагружения осуществлялся после полной стабилизации осадки на предыдущей ступени. Для измерения перемещения испытываемой сваи устанавливались четыре индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм. На рисунке 3.6 приведена схема испытания свай [45].
Перед нагружением сваи на всех индикаторах часового типа были зафиксированы нулевые отсчеты. На каждой ступени нагружения сваи снимались отсчеты по всем приборам. За критерий условной стабилизации деформации принималась скорость осадки сваи на данной ступени нагружения, не превышаю 61 щую 0,1 мм за последние 30 мин наблюдений. Рассмотрим особенности выполнения испытаний по каждому из объектов.
Схема натурных испытаний свай на горизонтальные нагрузки Первоочередной интерес, как и в лотковых испытаниях, представляет сопоставление результатов расчета Fdh по предлагаемой во втором разделе методике с данными статических испытаний свай на горизонтальную нагрузку. Рассмотрим три показательных примера полевых испытаний свай, в одном из которых основание в верхней части было представлено супесью, в другом - суглинком, в третьем - насыпным грунтом.
На первом объекте (площадка строительства административного здания) основание на глубину до 6 м сложено пластичной супесью. Испытывались две железобетонные призматические сваи с поперечным сечением 30x30 см и глубиной погружения h = 7м. Верхний слой супеси в данном случае полностью определял несущую способность свай на горизонтальную нагрузку. Горизонтальное нагружение свай и регистрация перемещений осуществлялись с помощью домкрата ДГ-50 в комплекте с насосной станцией НСР-400М, образцовым манометром и индикаторами ИЧ-50. Инженерно-геологический разрез участка представлен следующими инженерно-геологическими элементами (ИГЭ). ИГЭ-1. Насыпной грунт: смесь супеси, суглинка и почвы с включением строительных и бытовых отходов, неоднородный по составу и сложению, от малой степени водонасыщения до насыщенного водой, мощностью 0,8-10,1м. Залегает с поверхности в пределах всей площадки. ИГЭ-2. Суглинок тяжелый пылеватый насыщенный водой тугопластич-ный с примесью органических веществ незаселенный с прослоями супеси, мощностью 1,3-4,0м. Вскрыт до глубины 4,2 - 11,2м. ИГЭ-46. Супесь пылеватая насыщенная водой пластичная незасоленная, мощностью 0,4-2,9 м. Вскрыта до глубины 4,3- 6,4 м. ИГЭ-5. Суглинок легкий пылеватый насыщенный водой мягкопластич-ный незаселенный с прослоями текучепластичного и супеси, мощностью 2,2-10,0 м. Вскрыт до глубины 7,2-15,9 м. ИГЭ-6. Супесь пылеватая насыщенная водой пластичная незасоленная, мощностью 1,2-8,1 м. Вскрыта до глубины 3,4-20,8 м. ИГЭ-7. Суглинок легкий пылеватый насыщенный водой мягкопластич-ный незаселенный с прослоями текучепластичного, мощностью 1,7-6,5 м. Залегает в интервале глубин от 10,0-26,0 м до 13,4-27,6 м. ИГЭ-8. Суглинок тяжелый пылеватый насыщенный водой мягкопластич-ный с примесью органических веществ незаселенный с прослоями тугопла-стичного и супеси, мощностью 1,6-5,1 м. Залегает в интервале глубин от 3,4-24,5 м до 7,8-26,6м. ИГЭ-9. Супесь пылеватая насыщенная водой пластичная с примесью органических веществ незасоленная с прослоями суглинка, мощностью 1,0-6,0 м. Вскрыта отдельными скважинами в виде линз и прослоев в интервале глубин от 6,5-21,7 м до 7,8-26,7 м. ИГЭ-10. Супесь пылеватая насыщенная водой пластичная незасоленная с прослоями суглинка и песка, вскрытой мощностью 0,1-14,4 м. Распространена с глубины 7,8-27,6 м. В таблице 3.4 и на рисунке 3.7 приведены результаты испытаний и графики в осях «нагрузка-горизонтальное перемещение головы сваи». Опытные значения допустимой горизонтальной нагрузки (соответствующие А 40 мм) составили 59 кН (свая № 1), 66 кН (свая № 2).
Численное моделирование натурных испытаний сваи
В рамках стандартной методики, выполнив указанный в п. 5.1 расчет, осуществляют проверку по несущей способности каждой сваи на вдавливание (выдергивание), а также проверку прочности грунта, окружающего сваю.
При невыполнении этих условий, необходимо изменять конструкцию свайного фундамента (увеличивать число или размеры свай и т.п.). В то же время, расчет по деформациям может содержать в себе еще значительный запас [43, 44]. Тогда возникает вопрос о возможности допущения перераспределения нагрузок между сваями таким образом, чтобы некоторое количество свай работало в предельном состоянии. Более полное использование запасов несущей способности свайного фундамента открывает возможности их оптимального проектирования.
Здесь приводится вариант решения задачи оптимального проектирования свайного фундамента, в котором учитывается перераспределение нагрузок между сваями при достижении усилиями в некоторых из них своих предельных значений [21].
Общая схема предлагаемой методики подразумевает итерационный расчет и состоит в следующем. После первого расчета, как и в стандартной методике, выполняется проверка по несущей способности каждой сваи. В тех сваях, в которых полученные усилия превышают предельные значения, на следующей итерации усилия задаются равными соответствующим значениям их несущей способности. Расчет повторяется до тех пор, пока ни в одной свае не будет превышена несущая способность. Если в результате пересчетов выясняется, что все усилия во всех сваях вышли в предельное состояние, то это означает полное исчерпание несущей способности всем свайным фундаментом, т.е. такая конструкция не может существовать. Отметим, что предлагаемый вариант решения полностью соответствует обобщенной методике расчета, принятой в настоящее время в качестве основной расчетной модели свайного фундамента.
Обратимся к способам проверок свай по несущей способности, которая должна выполняться на каждой итерации. Проверка несущей способности на вдавливание (выдергивание) имеет стандартный вид: где Fd - несущая способность сваи на вдавливание (или Fdu - несущая способность сваи на выдергивание); у„ - коэффициент надежности по грунту. Расчет на действие горизонтальной и моментной нагрузки выполняется по методике, описанной в разделе 2, и заключается в выполнении условий:
Отметим три важных особенности работы с неравенством (5.10). Во-первых, величины FdH и FdM не являются независимыми, а связаны между собой согласно обсуждаемой ранее схеме (см. рисунки 2.3 и 2.4).
Второй особенностью использования неравенства (5.10) является то, что при наличии свободной длины сваи /0 ф 0, т.е. для случая высокого ростверка, ограничению подлежат не усилия, непосредственно возникающие в уровне подошвы ростверка Ht и Mt, а усилия в уровне поверхности грунта, которые, очевидно, равны:
В-третьих, важную роль играет взаимное направление усилий Яг0 и Мю. Остановимся на этой особенности несколько подробнее. Учитывая то, как положительные направления этих усилий были оговорены выше, может иметь место четыре случая:
В первом случае точка располагается в положительной четверти графика Н-М (рис. 5.6) и может находиться либо ниже, либо выше прямой, соединяющей точки Fdm и FdMo- Если точка располагается ниже прямой, то это означает, что усилия в свае не достигли своих предельных значений. Если точка располагается выше прямой, то, учитывая физическую и геометрическую линейность работы системы «фундамент-грунт» можно считать, что траектория нагружения сваи также линейна, то есть усилия в ней пропорционально возрастали с нуля до полученных значений Ню и Мю. Тогда следует пропорционально уменьшить эти величины так, чтобы они оказались на границе недопустимых значений - на графике это FdHi и FdMi.
В случае если точка Ні0 и Мі0 окажется в третьей четверти, выполняется описанная только что процедура с учетом смены знака. Если Hi0 и MJQ оказываются разнонаправлены (случай 2 и 3), то область допустимых значений ограничивается перпендикулярами к осям графика с основаниями в точках Fdm и FdM0.
Это предложение основано на том, что, хотя разнонаправленные горизонтальная сила и момент компенсируют друг друга, время их приложения по технологии сооружения фундамента или в процессе эксплуатации может оказаться различным и, поэтому, допускать превышения значений Fdm и F MO ЭТИМИ величинами не следует. В этом случае определение предельных значений следует выполнять пропорциональным уменьшением усилий До и МІО как показано на рисунке 5.6.
Таким образом, основные проверки по несущей способности сваи по грунту можно выразить вышеприведенными неравенствами.
При расчете по предлагаемой методике, как было сказано выше, вначале необходимо выполнить стандартный расчет свайного фундамента по обобщенной методике (см. п. 5.1). Затем следует выполнить анализ, изложенный ниже.
Допустим, что при расчете свайного фундамента в ряде свай были нарушены условия (5.9) и (5.10). Тогда примем, что в этих сваях усилия, превысившие предельные значения после шага расчета, должны равняться своим предельным значениям. Введем показатели работы сваи: 8iv и 8г-„. При работе сваи на вдавливающую и выдергивающую нагрузку в допредельной стадии 8iv = 1 и в предельной стадии biv = 0. Аналогично, работа сваи на горизонтальную и мо-ментную нагрузку характеризуется значениями показателя biu = 1 (допредельная стадия), biu = 0 (предельная стадия).
При значении biv = 0 нормальная сила Nt = Fj (при явлении вдавливания сваи) и Ni = -Fdu (при явлении выдергивания сваи).
Аналогично, при значении biu = 0 поперечная сила Д- = Fdmkm и Mt = FdMikiM- Отметим, что эти условия будут иметь место одновременно. Коэффициенты кш и кіМ контролируют знаки соответствующих усилий.
