Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 9
1.1 Повышение устойчивости и несущей способности водонасыщенных глинистых оснований путем внедрения различных видов свай 9
1.2 Современные способы повышения несущей способности и устойчивости водонасыщенных глинистых оснований путём армирования 17
1.3 Методы расчета искусственно улучшенных водонасыщенных оснований 28
1.4 Выводы и задачи дальнейших исследований 37
2. Исследование водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей, в лабораторных условиях 39
2.1 Грунтовые модели 39
2.2 Контрольно-измерительная аппаратура 48
2.3 Результаты экспериментальных исследований на грунтовых моделях 54
2.4 Планирование и обработка результатов экспериментов 62
2.5 Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей 64
2.6 Выводы 66
3. Исследование водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей, в полевых условиях 68
3.1 Опытная площадка 68
3.2Приборы и оборудование 70
3.3 Методика проведения полевого эксперимента 74
3.4Результаты экспериментов 81
3.5 Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей 89
3.6 Выводы 100
4. Разработка методики расчёта песчаной армированной сваи, внедренной в водонасыщенный глинистый грунт 101
4.1 Обоснование расчётной схемы 101
4.2 Дифференциальное уравнение, описывающее разделение внутренних усилий в теле песчаной армированной сваи и усилий по боковой поверхности 104
4.3 Применение котельной формулы для расчёта армирующей геосинтетической сетки 108
4.4 Определение параметров дифференциального уравнения и сопоставление результатов решения с данными экспериментов 111
4.5 Выводы 117
5. Использование полученных результатов иследования в практике строительства 118
5.1 Технология устройства песчаных армированных свай в водонасыщенных глинистых грунтах 118
5.2Технико-экономический эффект от внедрения конструктивного решения в практику строительства на водонасыщенных глинистых грунтах 121
5.3 Выводы 128
Заключение 129
Литература 130
Приложения 141
- Современные способы повышения несущей способности и устойчивости водонасыщенных глинистых оснований путём армирования
- Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей
- Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей
- Дифференциальное уравнение, описывающее разделение внутренних усилий в теле песчаной армированной сваи и усилий по боковой поверхности
Введение к работе
з
Актуальность темы. Территория Западной Сибири характеризуется сложными инженерно-геологическими условиями, где распространены водонасыщенные глинистые грунты, которые вызывают трудности при проектировании, возведении и эксплуатации зданий и сооружений.
На сегодняшний день расходы на возведение фундаментов в среднем составляют около 15% общей стоимости объекта, а в сложных грунтовых условиях достигают до 30%. Затраты труда и времени на устройство подземных частей зданий и сооружений с применением традиционных конструкций фундаментов составляют 20-30% от суммарных затрат на весь комплекс строительных работ. Снизить стоимость фундаментов и повысить эффективность работы грунта помогают новые способы искусственного улучшения их свойств. Разработано и внедрено множество способов искусственного укрепления грунтов основания на проектных отметках, большинство из которых имеют недостаточную эффективность, что связанно с использованием дорогостоящих материалов и оборудования.
В настоящее время во всем мире развивается производство всевозможных гсосинтстических материалов, основанных на различных полимерных растворах, углеродистых волокон и т.п. Исследование вопросов возможности их эффективного использования в области строительства зданий и сооружений остаётся важной и актуальной задачей. Одним из способов применения современных геосинтетических материалов является армирование водонасыщенных глинистых грунтов.
Армирование, как способ укрепления основания, получил широкое применение в строительстве, но проблемой развития этого направления является отсутствие опыта использования современных материалов, экспериментальных исследований, норм проектирования и технических условий. Поэтому исследование и разработка новых способов повышения несущей способности водонасыщенных оснований инженерных сооружений путём реализации новых схем армирования является актуальной задачей.
Объектом исследования является песчаная армированная свая, помещенная в водонасыщенный глинистый грунт.
Предметом исследования является новая конструкция песчаной армированной сваи и оценка напряженно-деформированного состояния сваи и околосвайного грунта.
Целью диссертационной работы является обоснование повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания за счёт внедрения песчаной армированной сваи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать способ повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания путём устройства песчаной сваи, армированной по наружному периметру геосинтетической сеткой;
выполнить экспериментальное обоснование эффективности повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания за счёт применения песчаной армированной сваи;
-разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния песчаной армированной сваи, помещенной в водонасыщенное глинистое основание;
- оценить экономический эффект в результате использования способа повышения
несущей способности водонасыщенного глинистого грунта.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложен способ повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания при помощи песчаной сваи, армированной по наружному периметру геосинтетической сеткой;
экспериментально обоснована эффективность способа повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания;
разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния песчаной армированной сваи, внедрённой в водонасыщенный глинистый грунт.
Достоверность защищаемых положении обеспечивается:
выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных приборов и первичных преобразователей;
сравнением полученных в работе результатов с известными в литературе примерами;
сопоставлением результатов численных и аналитических решений с данными натурных и модельных экспериментов.
Теоретическая значимость работы состоит в возможности оценки напряженно-деформированного состояния песчаной армированной сваи, внедрённой в водонасыщенный глинистый грунт.
Практическая значимость работы заключатся в использовании полученных результатов в практике проектирования и строительства зданий и сооружений.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, ТюмГАСУ, 2007 -
2009 г.г.); на международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (г. Пермь, ПГТУ, 2007 г.); на международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2008 г.); на общегородском семинаре по прикладной механике на базе кафедры «Прочность материалов и конструкций» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009 г.); на международной конференции «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (г. Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2009 г.); на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009 г.). На защиту выносятся:
способ повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания;
результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной сваей, армированной по наружному периметру геосинтетической сеткой;
методика расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной армированной сваи, внедренной в водонасыщенный глинистый грунт.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях, в состав которых входят 1 публикация журнала перечня ВАК и 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 9 таблиц, список использованных источников из 112 наименований, в том числе 14 на иностранном языке.
Современные способы повышения несущей способности и устойчивости водонасыщенных глинистых оснований путём армирования
Способы укрепления грунтов армированием получил широкое применение в строительстве промышленных и гражданских сооружений, однако проблемой развития данного направления является отсутствие опыта использования современных армирующих материалов [32]. Нехватка экспериментальных и теоретических исследований, норм проектирования и технических условий приводят к снижению экономического эффекта от инженерного решения в области повышения несущей способности водонасыщенного глинистого основания с использованием армированных грунтов. За счёт современного развития новых материалов появляется возможность реализации новых схем армирования, что приводит к эффективному использованию слабых оснований.
На всесоюзных и международных совещаниях, которые состоялись в Таллине (1965 г.), Бангкоке (1977 г.) и в Варне (1980 г.), было решено выделить в особую группу водонасыщенные глинистые грунты, значение модуля общей деформации которых равно или меньше 5 МПа, а степень водонасыщение больше 0,8, т.е. те грунты, более 80% пор которых заполнены водой [2,100,104]. Это грунты различного происхождения: аллювиальные, морские, мелкозернистые и др., - которые в результате литогенеза стали сильносжимаемы и водопроницаемы.
Территория распространения водонасыщенных грунтов достаточно широка, только в России она составляет около 11% от общей территории. Встречаются слабые грунты на побережье Тихого, Атлантического и Индийского океана. Широкое распространение водонасыщенных грунтов способствует использованию их как основание сооружения в промышленном и гражданском строительстве в Индии, Японии, Китае, Индонезии, Ираке, Польше, Франции, Швеции, Финляндии, США, Канаде, Аргентине и др. Для территории Западной Сибири характерной особенностью в геологическом отношении является распространение водонасыщенных грунтов, представленных суглинками. Они характеризуются низкой прочностью и высокой сжимаемостью (Е 5МПа, с=11кПа, ср=8).
Армированные грунты сопоставимы с железобетоном, так как в одном случае арматура связана с грунтом, а в другом - с бетоном. Такое сравнение является не совсем справедливым, так как в бетоне арматура предназначена для восприятия растягивающих усилий в элементах конструкций, а в армированном грунте, вероятно, будет существовать поле сжимающих напряжений. Механизм работы армирующего элемента в грунте впервые описал Видаль (1963,1966,1969 г.): "арматура в грунте служит не восприятию растягивающих напряжений, а анизотропному снижению или устранению нормальной составляющей скорости деформации."
Введенная в грунтовый элемент арматура в виде горизонтальных слоев, при условии, что между арматурой и грунтом существует сцепление или трение, приведет к возникновению связей, ограничивающих действие боковых деформаций. Такое анизотропное ограничение нормальных деформаций называют эффектом армирования. Уменьшение вертикальных напряжений приводит к возрастанию боковых напряжений и увеличению горизонтальных деформаций в грунте.
При воздействии сооружения на слабое основание в грунте возникают площадки нулевого растяжения. При их соединении образуется траектория нулевого растяжения, представляющая собой плоскость скольжения или разрушения. Данная траектория показывает возможный вид поля деформации при постоянном горизонтальном направлении главной скорости деформации растяжения. Эффективной считается арматура, расположенная в пределах сектора растяжения. Такое правило принимается в практике при проектировании армированного основания [65].
Если арматура расположена параллельно траекториям нулевого растяжения и связь между арматурой и грунтом окажется меньше сопротивления сдвигу грунта, возникает эффект смазки плоскости разрушения, что приводит к ослаблению основания. Арматура, расположенная в горизонтальной плоскости, вызывает вращение траектории нулевого растяжения и в то же время подавляет скорость дилатансии. Потенциальная схема разрушения армированного композита стремится совпасть с измененными траекториями [32].
Разрушение или ослабление слабого основания возникает при размещении армирующего элемента в направлении деформаций сжатия или вдоль потенциальной плоскости разрушения. Арматура, расположенная в секторе сжатия, должна быть способна воспринимать сжимающие напряжения.
Определением ориентации секторов сжатия — растяжения занимались следующие иследователи: Роско (1970 г.) — опыты на моделях, Бассет и Хорнер (1977 г.) - испытания на центробежной машине и Симе и Джоунс (1979 г.) -математическое моделирование или метод предельного равновесия. Сложность данных исследований заключалась в несовпадении оси главных напряжений и приращении деформаций. Задача была решена путем монотонного нагружения испытуемого образца. В этом случае оси главных напряжений и приращение деформаций совпадают.
По результатам экспериментальных данных выделены факторы, которые влияют на свойства и состояние армируемого грунта, приведённые в табл. 1.1. Кроме того значимым фактором для армируемого основания является внешняя нагрузка [32].
Внедрение арматуры в пределах сектора растягивающих зон нарушает однородный характер деформации, существующий в грунтовом массиве без армирования, препятствуя образованию в грунте непрерывных поверхностей скольжения и повышая жесткость и прочность на сдвиг слабого основания [16]. На первых стадиях нагружения слабого основания армирование не оказывает эффекта, эффект армирования возникает при наличии деформации в арматуре. Нагрузка от сооружения вызывает деформацию основания, в нем мобилизируется сопротивление сдвигающим усилиям.
Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей
Для прогноза напряженно-деформированного состояния исследуемого грунтового массива, усиленного песчаной армированной сваей, было выполнено численное моделирование на ПК с использованием программного комплекса Plaxis. При расчёте использовалась упругопластическая модель грунта Мора-Кулона. В качестве расчетного давления принято экспериментальное значение на последней ступени нагружения Р = 0,\2МПа. Размеры расчётной схемы в программе Plaxis принимались равными размерам модели грунта. Экспериментальные значения осадки штампа сопоставлялись с прогнозируемыми, которые представлены на рис.2.19. 1 — экспериментальные значения (основание, усиленное песчаной армированной сваей); 2 - результат расчета по программе Plaxis (основание, усиленное песчаной армированной сваей); 3 - экспериментальные значения (основание с внедрённой песчаной сваей); 4 - результаты расчета по программе Plaxis (основание с внедрённой песчаной сваей). Из рис.2.19 видно, что расхождение расчётных и экспериментальных значений осадок штампа составляет 10-13%. По результатам расчёта в программном комплексе Plaxis и экспериментальных данных построены изобары общих вертикальных давлений и изолинии вертикальных деформаций массива грунта (рис.2.20). На основании сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных сделаны следующие выводы: - экспериментальные данные и расчетные значения развития вертикальных напряжений по высоте грунтового массива с внедренной песчаной армированной сваей показали, что распределение напряжений по высоте массива грунта в эксперименте на 15-20% больше значений, моделируемых в программном комплексе Plaxis; - экспериментальные данные и расчётные значения распределения вертикальных деформаций в грунтовом массиве с внедрённой песчаной армированной сваей показали, что экспериментальные значения вертикальных деформаций на фиксированной глубине на 21-30% больше значений, полученных расчётным путём; - расчетные значения поперечных деформации песчаной армированной сваи на 5-10 % больше экспериментальных данных; - при расчёте в программе Plaxis наибольшие поперечные деформации песчаного армированного массива развиваются в средней части 0,5/z сваи, а по экспериментальным данным - на расстоянии 2/3 h от поверхности грунтовой модели.
Проведенные экспериментальные исследования в лабораторных условиях показывают, что устройство песчаной армированной сваи под штампом на основании из водонасыщенного глинистого грунта приводит к снижению осадки и увеличению предельной нагрузки на штамп.
Анализ экспериментальных данных и результатов, полученных расчётным путём, позволил сделать следующее выводы: устройство песчаной армированной сваи в основании, представленном водонасыщенным глинистым грунтом, позволяет снизить осадку штампа на 55% по сравнению с естественным основанием и на 30% - при устройстве в основании неармированных песчаных свай; увеличение несущей способности испытуемого основания, усиленного песчаной армированной сваей, при осадке S = Аслі составило 25% в сравнении с основанием, укреплённым песчаной сваей, и 40% - в сопоставлении с естественным основанием; внедрение армирующего элемента по наружному периметру песчаной сваи стесняет её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает осадку за счёт снижения деформации сжатия песчаного грунта; расчёт водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей, по программе Plaxis даёт расхождение с экспериментальными значениями 10-15%.
Проведенные исследования в лабораторных условиях помогли выявить эффективность использования песчаных армированных свай в водонасыщенных глинистых грунтах в вариантном сопоставлении. Результаты исследований легли в основу постановки натурного эксперимента для определения напряженно-деформированного состояния активной зоны основания, усиленного песчаной армированной сваей.
Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей
Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния водонасыщенного глинистого основания, усиленного песчаной армированной сваей, в упругопластической модели грунта Мора-Кулона, приведенные в главе 2, показали хорошую сходимость с данными эксперимента, поэтому предложено выполнить прогноз осадки штампа в натурных условиях, используя метод конечных элементов в программах Plaxis и Fem models.
Большинство исследователей отмечают, что величины перемещений, полученные по МКЭ, несколько больше экспериментальных значений. Это происходит в результате вовлечения всей расчетной области до нижней границы. Нижняя граница, как правило, выбирается больше величины активной зоны, тогда как перемещения глубинных марок и развитие сжимающих напряжений происходят на меньшей глубине [66]. Величина активной зоны при моделировании натурного эксперимента принимается согласно [88]. Упругопластическая модель Мора-Кулона предполагает упругое поведение среды при напряжениях ниже предела текучести, а при напряжениях выше предела текучести развивается равнообъёмное (с нулевой дилатансией) простое (без упрочнения и разупрочнения) пластическое течение грунта. На рис.3.12 представлена расчетная схема полевого эксперимента. Песчаная армированная свая устроена в основании на глубину Ъм. На рис.3.13 приведены точки пластики в результате воздействия штампа под нагрузкой на основание, усиленное песчаной армированной сваей. Область развития зон пластических перемещений формируется по внешней поверхности сваи, находящейся со стороны края штампа, и на границе образования клиновидной призмы. На рис.3.14 приведена диаграмма распределения вертикальных перемещений слоев грунта, имеющая клиновидный характер сопоставимый с экспериментальными данными.
Максимальные вертикальные перемещения штампа составили S = 0,0276м. На диаграмме моделирования усиленного основания выделяется область развития перемещений, формирующаяся по периметру сваи, что согласуется с экспериментальными данными, однако отсутствие перемещений под пятой сваи указывает на несогласование данных расчёта с данными эксперимента.
Результаты моделирования напряженного состояния основания усиленного песчаной армированной сваей приведены на рис.3.15. Результаты расчёта показали, что вертикальные напряжения концентрируются по высоте устраиваемой песчаной армированной сваи в верхней её части на глубине до двух метров от дневной поверхности. Под краями штампа образуется область повышенных напряжений, которые развиваются к центру штампа и перераспределяются по телу песчаной армированной сваи.
Результаты полевых экспериментов показывают, что при давлении на основание, равном 44,4кПа, наблюдается равномерное распределение напряжений верхней части сваи. С ростом нагрузки развиваются области вертикальных напряжений в теле песчаной армированной сваи по её высоте и в грунте по боковой поверхности сваи. Тенденция развития этих областей получает явно выраженный характер с ростом нагрузки на штамп. По результатам расчета, развитие вертикальных напряжений по боковой поверхности сваи наблюдается в активно-сжимаемой зоне на отметке 1,5м от дневной поверхности основания.
Прогноз напряженно-деформированного состояния в программе Plaxis отражает работу штампа на основании с внедрённой песчаной армированной сваей в условиях плоской задачи, которая подразумевает наличие плоского напряженного состояния и плоской деформации.
Улицким В.М., Шашкиным К.Г., Алексеевым П.С., Шашкиным А.Г., Парамоновым В.Н., ВасенинымВ.А для моделирования работы массива грунта при статических нагрузках, разработана программа FEM models. В программе реализуется широко апробированная в расчетной практике упруго-пластическая модель среды Рейсса-Прандтля с предельной поверхностью, описываемой уравнением Кулона-Мора, предполагающей упругое поведение среды ниже предела текучести и простое (без упрочнения и разупрочнения) пластическое течение при напряжениях на пределе текучести [85]. Параметры этой модели (Е,/,с,ф) содержатся в стандартных инженерно-геологических изысканиях. На рис.3 Л 6 представлена расчетная схема натурного эксперимента, реализованная в программе FEM models. Физико-механические характеристики грунта, армирующего элемента и нагрузки, прикладываемой к фундаменту, принимались в соответствии с инженерно геологическими изысканиями, проведенными на экспериментальной площадке. В качестве расчетной модели бралась упругопластическая модель грунта Мора-Кулона.
По результатам расчета построена область распределения пластических деформаций, которая отличается от результатов прогноза в программном комплексе Plaxis (рис.3.17). Область пластических деформаций, полученная в программе FEM models, распределяется по высоте сваи и под её пятой, а результаты расчёта в программе Plaxis отразили эту область на границе образования сдвиговых деформаций. Изолинии вертикальных деформаций, полученные в программном комплексе Plaxis, отличаются от изолиний, полученных в программе FEM Models (рис.3.18).
Дифференциальное уравнение, описывающее разделение внутренних усилий в теле песчаной армированной сваи и усилий по боковой поверхности
Первое граничное условие обосновано величиной, приложенной статической вертикальной нагрузкой на сваю, и называется статическим граничным условием. Второе кинематическое граничное условие показывает величину вертикального перемещения пяты песчаной армированной сваи в водонасыщенном глинистом грунте. Совокупность дифференциального уравнения (4.1) и двух граничных условий (4.2) называется постановкой краевой задачи. Получим общее решение уравнения 4.1, для этого поделим его на W(z) Данный тип уравнений носит названия с отделёнными переменными [59]. Проинтегрируем обе части уравнения: В результате получим: Преобразуем полученное выражение к следующему виду: Запишем уравнения в виде произведения двух экспонент: Так как сомножитель е ЕА является величиной постоянной, обозначим его константой С. Общим решением дифференциального уравнения первого порядка (4.1) с постоянными коэффициентами, является функция: Параметры к,Е,С могут быть определены с учётом граничных условий (4.2) и дополнительного кинематического условия, представленного величиной вертикальных перемещений по высоте сваи в фиксированной точке. Используя допущения, введенные в п. 4.1, запишем закон Гука для нормальных вертикальных напряжений сг„: Найдем производную от функции вертикальных перемещений: Подставим данное выражение в уравнение (4.4) и определим значение Дальнейшее решение задачи сведём к определению горизонтальных напряжений, используя значения вертикальных напряжений, полученных по выражению (4.5). Определим горизонтальные напряжений JX в теле сваи. Запишем дифференциальные уравнения равновесия (Навье): Так как вертикальные напряжения определяются в соответствии с (4.5), уравнения равновесия статически определимы. Продифференцируем выражение (4.5): Подставим выражение (4.7) в уравнения равновесия (4.6) и определим касательные напряжения, умножив это выражение на дх: Проинтегрируем обе части уравнения (4.8): В результате получим формулу для определения касательных напряжений: где Т - постоянная интегрирования. С учётом закона парности касательных напряжений получим: Подставим значение (4.10) в уравнение равновесия и определим горизонтальные напряжения ах, умножив это выражение на дх:
Для нахождения постоянной интегрирования В зададимся условием совпадения экспериментального значения горизонтального напряжения в фиксированной точке песчаной армированной сваи.
В результате получено дифференциальное уравнение, описывающее напряженно-деформированное состояние песчаной армированной сваи и её взаимодействие по боковой поверхности с окружающим грунтом. Расчётные формулы по определению значений вертикальных перемещений и напряжений в теле сваи имеют четыре параметра, которые определяются из статических и кинематических граничных условий.
Армирующий элемент, расположенный по периметру сваи, образует цилиндрическую форму, при этом расчёт геосинтетической сетки можно представить как расчёт тонкостенного цилиндрического резервуара. При расчёте принимаем, что геосетка подвергается равномерному распределённому давлению q = crx в каждой диаметральной плоскости.
Значение ах по высоте песчаной армированной сваи необходимо принимать максимальное. Волокна геосинтетической сетки будут подвергаться наибольшему растяжению в направлении, перпендикулярном оси сваи (рис.4.3). Определяющее значение выполняют горизонтальные (кольцевые) волокна геоткани, замкнутые по наружному периметру цилиндрического песчаного массива. Именно они, работая на растяжение, препятствуют боковой деформации песка. Определим напряжение а" на основе методики, изложенной в работе [80].
