Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ экспериментальных исследований работы фундаментов в вытрамбованных котлованах и методов их расчёта 8
1.1. Экспериментальные исследования работы фундаментов в вытрамбованных котлованах 8
1.2. Методы расчёта фундаментов в уплотненном грунте 12
1.2.1. Пирамидальные сваи 12
1.2.2. Набивные сваи в выштампованном основании 14
1.2.3. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 17
2. Экспериментальные создание работы фундаментов в вытрамбованных котлованах на моделях 32
2.1. Цель и объём экспериментальных исследований 32
2.2. Методика проведения экспериментальных исследований 36
2.3. Инженерно-геологические условия опытной площадки 40
2.4. Исследование динамических параметров вытрамбовывания котлованов 42
2.5. Исследование уплотненной зоны 47
2.6. Исследование работы моделей фундаментов на действие вертикальной статической нагрузки 58
2.7. Анализ экспериментальных исследований работы фундаментов в вытрамбованных котлованах на моделях 76
3. Исследования работы фундаментов в вытрамбованных котлованах в натурных условиях 74
3.1. Математическое планирование экспериментов 74
3.2. Конструкции натурных фундаментов 80
3.3. Инженерно-геологические условия опытных площадок 82
3.4. Изучение формирования уплотненной зоны в основании котлованов 84
3.5. Изучение работы фундаментов на действие вертикальной нагрузки 90
3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований работы фундаментов в вытрамбованных котлованах 93
4. Разработка метода расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах на просадочных грунтах 96
4.1. Особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах 96
4.2. Расчётные схемы передачи нагрузки фундаментами на грунты основания 106
4.3. Рекомендации по расчёту фундаментов в вытрамбованных котлованах по предельным деформациям 116
5. Внедрение результатов исследований 136
Заключение 142
Список литературы 145
Приложение 1 .158
Приложение 2 160
- Фундаменты в вытрамбованных котлованах
- Исследование работы моделей фундаментов на действие вертикальной статической нагрузки
- Изучение формирования уплотненной зоны в основании котлованов
- Особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах
Введение к работе
Актуальность темы. Одним иэ прогрессивных типов фундаментов при строительстве на просадочных грунтах, позволяющим снизить расход цемента, арматуры, уменьшить объёмы земляных работ, исключить опалубочные работы и сократить сроки выполнения нулевого цикла, являются фундаменты в вытрамбованных котлованах.
Эффективность применения таких фундаментов обусловлена тем, что в процессе устройства котлована и втрамбовывания в его дно щебня, формируется основание с повышенными физико-механическими характеристиками грунтов.
Однако широкое использование фундаментов в вытрамбованных котлованах в строительстве сдерживается из-за недостаточной изученности вопроса формирования уплотненно? зоны под-подошвой фундамента я условий передачи нагрузки фундаментами с разными геометрическими параметрами на грунтовое основание, а также отсутствие методики расчета с учетом этого фактора.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах без уширения и с уширенным основанием по предельным дефор^ мацилм, а также исследование некоторых закономерностей, связанных с формированием уплотненной зоны в основании котлованов. В соответствии с указанной целью диссертации были поставлены следующие задачи:
исследование динамических параметров при вытрамбовывании котлованов и устройстве уширенного основания;
изучение формирования уплотненной зоны в основании котлованов, изготовленных трамбовками с разными геометрическими пара-
метрами, а такие при устройстве уширенного основания из щебня различного объёма;
установление оптимальной формы трамбовки, обеспечивающей высокую удельную несущую способность фундаментов в региональных грунтовых условиях;
исследование условий передачи нагрузки фундаментами различных типов при действии вертикальной статической нагрузки;
разработка методики расчета.
Научная новизна работы заключается в следующем:
расширены существующие представления о процессах пластического деформирования оснований, сложенных лессовыми грунтами, при вытрамбовывании котлованов;
сформулированы ловые принципы (на основе обобщения эксш риментальных данных) для определения оптимальных размеров фундаментов в вытрамбованных котлованах;
~ показана привалирующая роль геометрических размеров трамбующего рабочего органа на формирование зоны интенсивного уплотнения основания;
- обоснована схематизация процесса уплотнения для раэвити
метода расчета деформации фундаментов в вытрамбованных котлова
нах.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
получен обширный экспериментальный материал, достаточнь для обоснования закономерностей формирования уплотнения в оснс вании вытрамбованного котлована;
обоснован инженерный метод расчёта фундаментов в вытра) бованных котлованах;
даны рекомендации по проектированию фундаментов в вы-
трамбованных котлованах;
- полученные результаты экспериментальных исследований являются основой для дальнейшего развития теоретических разрабо- -ток и практического применения фундаментов в вытрамбованных котлованах.
Внедрение .результатов работы осуществлено на ряде объектов j г.Чимкенте, что позволило в период с 1984 по 1991 гг. получить экономический эффект 289 тыс. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Республиканском совещании "Подготовка оснований и устройство фундаментов на просадочных грунтах и в сейсмических районах" (Чимкент, 1985), на Республиканском совещании "Устройство оснований и фундаментов в региональных грунтовых условиях Казахстана" (Алма-Ата, 1989), на Всесоюзной научно-практической конференции "Лёссовые просадочные грунты как основания зданий и сооружений" (Барнаул, 1990), на Республиканской научно-технической конференции "Эффективные фундаменты, сооружаемые без выемки грунта" (Полтава, 1991), на Республиканской научно-практической конференции "Проблемы строительства на просадочных грунтах Южного Казахстана" (Чимкент, 1991).
Публикации. По результатам выполненных исследований автором . опубликовано б работ.
На защиту выносятся
результаты исследования влияния геометрических параметров трамбовок на формирование уплотненной зоны и несущую способность фундаментов;
расчётные схемы передачи нагрузки фундаментами без ушире-ния и с уширенным основанием на грунты основания;
_ б -
- инженерный метод расчёта несущей способности фундамен- ' тов в вытрамбованных котлованах с учётом их геометрических размеров.
;. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии.и приложений. Общий объём текста 16? страниц, в том числе 59 рисунков, 21 таблица, список литература из 100 наименований авторов, 10 страниц приложений.
Фундаменты в вытрамбованных котлованах
Фундаменты в вытрамбованных котлованах имеют одинаковую геометрическую форму с забивными пирамидальными и набивными в выштампованном основании сваями, но условия их работы в грунтах разные, что обусловливает некоторое различие в расчетных схемах и методиках определения несущей способности.
В настоящее время предложено несколько методов расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах. Один из них дается в работе /52/. Несущая способность фундамента для случая полного замачивания лессовых грунтов основания определяется как наименьшая из двух величин, первая из которых вычисляется исходя из прочностных характеристик уплотненного грунта в водонасыщенном состоянии по СНиП ІІ-Б.І-62 /91/, вторая - давления на подстилающий уплетенную зону грунт естественного сложения (рис. I.I).
Для фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием Багдасаров Ю.А. /6/ предлагает выполнять расчет по первому предельному состоянию - по несущей способности грунтов основания, которая определяется как наименьшая из значений несущей способности жёсткого материала, образующего уширенное основание и воспринимающего нагрузку от подошвы фундамента (рис. 1.2,а); грунта уплотненной зоны, на который передается нагрузка от уширения (рис. 1.2,6); грунта природного сложения, воспринимающего нагрузку от уплотненного грунта (рис. 1.2,в).
Данные расчетные схемы фундаментов в вытрамбованных котлованах нашли отражение в "Руководстве по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах" /82/.
Принципиально новый подход к определению несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах имеется в работе Авазова P.P. /I/. Расчет фундаментов производится по первому предельному состоянию. При этом несущая способность фундамента, также как и свайных, складывается из предельного сопротивления грунтов основания по подошве и предельного- сопротивления грунтов по боковой поверхности фундамента.
Предельное сопротивление грунтов основания под подошвой фундамента определяется по решению осесимметричной задачи предельного равновесия среды под цилиндрическим штампом, полученным Березанцевым В.Г. /9/, и имеет вид.
Недостатком данной расчетной схемы является применение решения задачи предельного равновесия, полученным Березанцевым В.Г. для фундаментов неглубокого заложения на однородном основании, которое вносит некоторую неточность.
Жуков Н.В., Головачева Л.В. /38/ считают, что несущая способность забивных фундаментных блоков на вертикальную нагрузку, как и фундаментов в вытрамбованных котлованах, с соответствующими коэффициентами условий работы складывается из нагрузки, воспринимаемой боковой поверхностью и подошвой фундамента (рис. 1.3).
Несущая способность фундамента по подошве определяется как для короткой сваи по формуле.
Особый интерес представляет расчет фундаментов с учетом нелинейных свойств грунтов, нашедший отражение в работах /11,15, 20,30,35,37,39,40,46,62,64,67,69,74/ и других.
Потапов С.Н. /74/ предлагает определять несущую способность короткой набивной сваи с вытрамбованной уширенной пятой по формуле.
Разработанная методика расчета позволяет оценить несущую способность короткой набивной сваи с вытрамбованной уширенной пятой при заданной предельно допустимой осадке, но требует дополнительных экспериментальных исследований по уточнению прочностных и деформационных характеристик уплотненного грунта в основании пяты сваи.
Мишин А.П. /67/ на основе анализа проведенных экспериментальных исследований работы буронабивных свай с уплотненным грунтовым ядром в основании длиной I 10 м считает, что передача давлений фундаментом на грунт основания должна приниматься в виде равномерно распределенной нагрузки. Размеры площади передачи усилий в плоскости подошвы фуедаментов принимается, как и в работе Дорожкевич Н.М. /36/, из условия, что напряжения под острием сваи могут распределяться в пределах до 1,5 d ( d - диаметр сваи) от оси сваи. Распределение усилий по боковой поверхности сваи принимается в виде треугольной эпюры до глубины, равной Zdt ниже-в виде прямоугольника. Максимальное удельное сопротивление по боковой поверхности рассчитывается по методике, предложенной Лапшиным Ф.К. /60/.
Полная несущая способность буронабивной сваи определяется суммированием величин несущих способностей по боковой поверхности и по условному уширению, вычисленных при одинаковых осадках.
График зависимости осадка - нагрузка", получаемый по результатам расчетов, имеет нелинейный характер за счет применения коэффициента осадки жесткого фундамента. Введение нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями позволяет проследить работу буронабивной сваи на различных этапах загружения.
Вопросу определения несущей способности свайных фундаментов по предельным деформациям с учетом нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями уделено внимание в pa6qTe Дорошкевич Н.М. /37/. На основе анализа материалов испытаний модельных и натурных кустов свай, автором установлено, что величина предельно допустимой осадки всегда выходит за пределы прямой пропорциональности в результате сдвига частиц в зоне максимальных напряжений, возникающих в грунте под острием свай. По аналогии с методом Березанцева В.Г. для расчета свайных фундаментов рекомендуется применять метод эквивалентного слоя Цытовича Н.А., разработанный для расчета осадок фундаментов глубокого заложения. Формула для определения осадки имеет следующий вид.
Исследование работы моделей фундаментов на действие вертикальной статической нагрузки
Экспериментальные исследования работы моделей фундаментов на действие вертикальной статической нагрузки проводились с целью установления связи между перемещением и нагрузкой на фундаменты в грунтах в водонасыщённом состоянии. Результаты исследований представлены на рис. 2.22-2.25. Выполненные испытания позволяют наиболее полно определить влияние геометрических размеров трамбовки на несущую способность фундаментов.
На рис. 2.22 показаны графики зависимости осадки моделей фундаментов типа I, 2, 3 от нагрузки. Из анализа рисунка видно, что с увеличением нагрузки осадки моделей фундаментов происходят тем больше, чем меньше угол наклона боковых граней, т.е. с увеличением угла наклона боковых граней при прочих равных параметрах несущая способность фундаментов увеличивается. Но, с точки зрения экономической увеличение угла наклона боковых граней трамбовок ведет к неоправданному расходу материала, т.к. величина удельной несущей способности Fgp. при этом уменьшается, за которую принимается отношение несущей способности фундамента к его объёму. Наиболее целесообразным будет являться устройство фундамента с углом наклона , величина которого будет находиться в пределах, равных значению, соответствующей точке пересечения графиков.
Изменение глубины заложения фундамента при сохранении постоянной величины угла наклона боковых граней существенно влияет на величину перемещения от нагрузки (рис. 2.23). Анализ результатов испытаний показывает, что несущая способность фундамента увеличивается на 50-180 %, Но в то же время увеличение высоты фундамента ведет к уменьшению удельной несущей способности.
Результаты испытаний моделей фундаментов с разной площадью подошвы (рис. 2.24, 2.28) показали, что с увеличением размеров нижнего основания несущая способность повышается, в то время как удельная несущая способность уменьшается. Это говорит, как и в предыдущих случаях, что изменение одного из геометрических размеров фундамента целесообразно только в определенных пределах. Оптимальной площадью нижнего основания фундамента будет р являться площадь, равная 0,06 м .
Анализ результатов испытаний моделей фундаментов типа 7, I, 9, 8 )(рис. 2.25, 2.29) показал, что изменение угла наклона боковых граней при сохранении постоянной площади среднего сечения не ведет к однозначному изменению несущей способности. Надо полагать, что наиболее оптимальной будет трамбовка, у которой угол наклона боковых граней будет равен 10.
Таким образом, обобщая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что оптимальной будет являться трамбовка, у которой угол наклона боковых граней равен 8 ... 10, площадь низа - 0,06 м , глубина заложения - 0,6 м.
Основываясь на результатах исследований работы фундаментов на моделях, в качестве трамбовки для устройства фундаментов с уширенным основанием выбрана трамбовка типа 7. Результаты статических испытаний фундаментов с уширенным основанием из суглинка, щебня, шлака объёмом 0,05; 0,10; 0,15 м3 представлены на рис. 2.30.
Анализ результатов исследований работы фундаментов с уширенным основанием на моделях на действие вертикальной статической нагрузки позволил установить неодинаковую деформативность грунтов в основании. Она зависит от объема и вида втрамбованного материала. Значительное уменьшение сжимаемости грунтов основания фундаментов может быть достигнуто за счет увеличения объема материала уширения в основании котлованов, что подтверждает результаты исследований, полученные в работах /1,80,93/. Так, при изменении объема щебня с 0,05 до 0,15 м3 несущая способность моделей фундаментов увеличивается в 1,5 раза, а удельная несущая способность уменьшается в 1,1 раза (рис. 2.3Г).
Интересно отметить, что фундаменты с уширенным основанием из суглинка обладают большей несущей способностью, чем фундаменты в качестве уширения у которого применен шлак. В свою очередь фундаменты со шлаковым уширением несут больше, чем фундаменты со щебеночной подушкой. По-видимому, это объясняется тем, что с увеличением фракции втрамбовываемого материала происходит менее качественное уплотнение при действии динамической нагрузки. Следовательно, допущение о том, что материал уширенйя несжимаемый /73/ не в полной мере отражает действительную работу фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием.
Изучение формирования уплотненной зоны в основании котлованов
Изучение формирования уплотненной зоны в основании котлованов проводилось на площадках Ш 2, 3.
На опытной площадке № 2 были изготовлены три котлована типа КІ, К2, КЗ (табл. 3.3). При вытрамбовывании котлованов К2, КЗ для создания уширения втрамбовывался щебень в количестве 1,2 и 2,0 м3.
С целью изучения влияния объёма жесткого материала на форму и размеры уширений и уплотненной зоны котлованы были вскрыты шурфами на глубину 3 - 4,5 м от дна и на 1,5 - 2,5 м в стороны от их центров. Из стенок шурфов через 0,2 м были отобраны образцы грунтов для лабораторных испытаний методом режущего кольца /26/. Кроме того, в основании котлованов был произведен отбор монолитов для определения физико-механических характеристик уплотненного грунта. Оконтуривание уплотненной зоны производилось по распространению плотности грунта в сухом состоянии более 1,55 г/см3.
Результаты исследования форм, размеров уширений показаны на рис. 3.2. Как видно из рис. 3.2, уширенйя, возникающие при втрамбовывании щебня, имеют форму эллипсоида вращения. Высота щебёночного уширенйя при увеличении объема втрамбованного щебня от 1,2 до 2,0 м3 изменяется от 0,8 до 1,0 м, радиус - от 0,7 до 0,75 м.
Устройство уширенйя в основании котлована ведет к увеличению размеров уплотненной зоны. На рис. 3.3 показаны форма и размеры уплотненной зоны в основании котлованов типа КІ, К2, КЗ. Лабораторными исследованиями грунта было установлено, что в основании котлованов без уширенного основания грунт уплотнился от дна котлована на глубину 1,4 м, в стороны от центра котлована на 1,2 м. В основании котлована с втрамбованным щебнем в количестве 1,2 м3 уплотненная зона распространилась на глубину 2,8 м и в стороны на 1,25 м. При втрамбовывании 2,0 м3 эти параметры составили 3,0 и 1,35 м.
Таким образом, на основании изучения уплотненных зон, возникающих при вытрамбовывании, можно сделать вывод о том, что уплотненная зона увеличилась при втрамбовывании щебня в количестве 1,2 м3 в 2 раза и при втрамбовывании щебня в количестве 2,0 м3 в 2,1 раза по сравнению с размерами уплотненной зоны без уши рения, радиус уплотненной зоны увеличился соответственно 1,1 и 1,2 раза,
На экспериментальной площадке Ш был изготовлен котлован типа К4 (табл. 3.3). В основание котлована был втрамбован щебень в количестве 6,0 м3. Результаты лабораторных исследований образцов грунта, отобранных из стенок шурфа в соответствии с /82/ показали, что уплотненная зона распространилась в стороны от центра котлована на 2,0 м и в глубину от дна котлована на 3,4 м (рис. 3.4). Форма уширения в основании котлована имеет форму эллипсоида вращения, вытянутого по вертикали. Размеры уширения составили: радиус - 0,9 м; высота - 2,0 м.
По результатам определения физико-механических характеристик грунтов в основании котлованов установлено, что прочностные и деформационные показатели уплотненного грунта возрастают в 2,5-4 раза по сравнению с характеристиками грунтов в природном состоянии.
Анализ исследования формы уширения показал, что увеличение объёма щебня, втрамбовываемого в основание котлована, ведёт к увеличению радиуса уширения. Зависимость этих параметров (рис. 3.5) может быть представлена таким же образом, как и формула (2.3).
По анализу проведённых исследований формы и размеров уплотненной зоны в основании котлованов К2, КЗ, К4 установлено, что радиус уплотненной зоны находится в линейной зависимости от радиуса уширения и может быть представлен таким же образом, как и выражение (2.4) (рис. 3.6).
Таким образом, пртеденные экспериментальные исследования уплотненной зоны в основании котлованов подтвердили результаты, полученные на моделях.
Особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах
Проведённые экспериментальные исследования фундаментов в вытрамбованных котлованах на моделях и в натурных условиях позволили выявить особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах без уширения, а также с уширенным основанием и установить следующие положения (главы 2, 3):
1. Повышение несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах обусловлено в основном образованием уплотненной зоны. Граница распространения уплотнения зависит от размеров трамбовки. При этом, увеличение площади боковой поверхности за счёт изменения угла наклона боковых граней и высоты трамбовки приводит к большему распространению уплотнения.
2. Зона уплотнения имеет форму усечённого эллипсоида, соотношение полуосей которого в зависимости от формы трамбовки изменяется от 0,8 до Ь,б.
3. В результате вытрамбовывания котлована лёссовые грунты в его основании теряют просадочные свойства. Плотность сухого грунта изменяется от максимального значения, равного 1,75 1,80 г/см3, до плотности грунта в сухом состоянии, равному его значению в естественном состоянии. В пределах уплотненного массива показатели прочностных и деформационных свойств грунта увеличиваются в 2,5 - 4 раза.
4. Устройство уширения в основании фундамента приводит к увеличению размеров уплотненного массива и изменению физико-механических характеристик грунтов. Применение различных видов жёсткого материала позволяет получить основание с разной степенью сжимаемости.
5. Силы трения по боковой поверхности вызывают изменение напряжённо-деформированного состояния в основании фундаментов в вытрамбованных котлованах.
Анализ рассмотренных методов расчёта фундаментов в вытрамбованных котлованах (глава I) показал, что точность метода зависит от принимаемой расчётной схемы передачи нагрузки фундаментом на основание. В связи с этим, важное значение имеет соответствие фактической работе фундаментов расчётной схемы взаимодействия фундамента с окружающим грунтом.
Как известно, по методу, имеющемуся в /82/, размеры площади передачи нагрузки определяются в зависмости от ширины среднего сечения фундамента и диаметра уплотненной зоны в его основании. Расчёты по этому методу показали, что площадь передачи нагрузки не изменяется в зависимости от угла наклона боковых граней и площади подошвы фундамента, что не подтверждается результатами экспериментальных исследований (глава 2).
Площадь передачи нагрузки фундаментом с уширенным основанием по /82/ определяется в зависимости от размера нижнего сечения фундамента, поперечного сечения уширенного основания из жёсткого материала в месте его наибольшего уширения и уплотненной зоны в месте её наибольшего размера.
Нагрузка от фундамента прикладывается в зависимости от рассматриваемой площади на уровне низа фундамента, подошвы уширения и уплотненной зоны. Расчёт осадки выполняется как для условного фундамента, подошва которого находится на уровне низа уширения, т.е. уширение и фундамент принимается цельным телом.
Проведённые экспериментальные исследования (главы 2, 3) работы фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием позволили сделать вывод о сжимаемости материала уширения при действии вертикальной статической нагрузки и принять допущение о том, что глубина заложения фундамента должна соответствовать глубине приложения нагрузки.
При определении величины нагрузки важное значение имеют физико-механические свойства грунтов, залегающих в основании. В связи с этим возникает необходимость определения границы распространения уплотнения в основании фундаментов.
В соответствии с /82/ радиус уплотненной зоны в основании фундамента без уширения приближенно принимается удвоенной ширине фундамента в среднем сечении. Сравнение значений размеров уплотненных зон по /82/ с опытными данными, полученными при изучении форм и размеров уплотненных зон в основании котлованов, выполненных трамбовками с разными геометрическими размерами показало, что разница достигает 30-40$. Ниже приводится вывод формулы для определения радиуса уплотненной зоны.
По экспериментальным данным плотность грунта в сухом состоянии в основании вытрамбованного котлована изменяется от максимального значения, равного 1,76 - 1,80 г/см3, до значения в природном состоянии (главы 2, 3). Кривая изменения плотности грунта в сухом состоянии в горизонтальном направлении на уровне низа котлована может быть аппроксимирована уравнением.
Для определения радиуса уплотненной зоны примем следующие исходные положения:
- при вытрамбовывании котлована происходит уплотнение грунта с вытеснением в окружающий массив объёма грунта, равного объёму трамбовки;
- изменение плотности грунта в сухом состоянии с удалением от стенок котлована записывается, как и в работе Григорян А.А. /29/, уравнением (4.1);
- плотность грунта в сухом состоянии на границе уплотнения принимаем равной 1,55 г/см3;
- форма зоны уплотнения грунта в основании вытрамбованного котлована зависит от геометрических параметров трамбовки и имеет вид эллипсоида вращения с соотношением полуосей hs/rs = 0,8 ... 1,6.
Сравнение показало, что разница значений радиуса уплотненной зоны, определенного по (4.17) и по опыту, не превышает 20 - 27%, за исключением случая применения трамбовок с углом наклона боковых граней 26.
Следует отметить, что размеры уплотненных зон в основании котлованов без уширения могут быть определены и по эмпирическим выражениям (2.1) и (2,2), полученными по результатам экспериментальных исследований формирования уплотненной зоны в основании котлованов, изготовленных трамбовками с разными геометрическими параметрами.