Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ I Экспериментальные исследования работы свайных фундаментов при различных видах их нагружения 18
ГЛАВА I Экспериментальные исследования работы внецентренно нагруженных групп свай 19
1.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 22
1.2. Аналитический эксперимент по исследованию закономерностей распределения продольных усилий на сваи и развития кренов внецентренно нагруженных групп 23
1.2.1. Теоретические основы аналитического эксперимента 24
1.2.2. Состав аналитического эксперимента и его результаты . 32
1.3. Математико-статистический анализ результатов аналитического
эксперимента. Планирование эксперимента на моделях 40
1.3 Л. Основные положения теории планирования эксперимента . 41
1.3.2. Математическая модель эксперимента 45
1.3.3. Оценка параметров модели 50
1.3.4. Анализ модели. Планирование экспериментов на моделях 56
1.4. Экспериментальные исследования работы внецентренно нагруженных свайных групп на моделях в песчаных грунтах 58
1.4.1. Конструкции моделей свай, оборудование, характеристики песчаного фунта 58
1.4.2. Методика и состав экспериментальных исследований на моделях 60
1.4.3. Результаты экспериментальных исследований на моделях групп свай и их анализ 63
1.5. Экспериментальные исследования закономерностей развития реактивного горизонтального отпора грунта по боковым поверх ностям свай внецентренно нагруженного фундамента 77
1.5.1. Конструкция модельной сваи, оборудование, условия проведения опытов 77
1.5.2. Методика проведения экспериментальных работ 79
1.5.3. Результаты проведенных экспериментов 80
1.5.4. Анализ результатов проведенных экспериментов 90
1.6. Экспериментальные исследования работы внецентренно нагружен
ных групп свай в глинистых грунтах 98
1.6.1. Геологические условия опытных площадок 99
1.6.2. Конструкция опытных свай, измерительная аппаратура. Методика проведения испытаний и их состав 100
1.6.3. Результаты проведенных исследований 105
1.6.4. Сопоставление результатов проведенных исследований с ре-результатами аналогичных исследований других авторов 107
1.7. Экспериментальные исследования деформаций горизонтально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов 111
Общие выводы 125
ГЛАВА II. Экспериментальные исследования работы горизонтально нагруженных групп свай 127
2.1. Обоснование, цели и задачи экспериментальных исследований работы горизонтально нагруженных групп свай 127
2.2. Изучение закономерностей изменения несущей способности гори зонтально нагруженных групп свай в зависимости от различных факторов 135
2.2.1. Грунтовые условия, параметры свайных групп, программа и методика проведения опытных работ 136
2.2.2. Результаты проведенных испытаний и их анализ 143
2.2.3. Средняя несущая способность сваи в горизонтально нагруженной группе. Коэффициент кустового эффекта 154
2.3. Экспериментальные исследования влияния взаимодействия свай на несущую способность горизонтально нагруженных групп 160
2.3.1. Грунтовые условия, программа и методика проведения исследований 160
2.3.2. Результаты проведенных исследований 166
2.4. Экспериментальные исследования влияния жесткого защемления головы сваи на ее сопротивление действию горизонтальной нагрузки 176
2.4.1. Методика и состав проведенных исследований 176
2.4.2. Результаты проведенных исследований 179
2.5. Экспериментальные исследования работы групп свай при совмест ном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок 184
2.5.1. Цель, задачи и программа экспериментальных исследований 184
2.5.2. Методика проведения экспериментальных исследований 188
2.5.3. Результаты проведенных исследований 192
2.5.4. О причинах влияния вертикальной нагрузки на несущую способность горизонтально нагруженных групп свай 204
2.5.5. Аналитический эксперимент по исследованию влияния вертикальной нагрузки на несущую способность горизонтально нагруженных групп свай в стадии предельного состояния
грунта 206
Общие выводы 214
ЧАСТЬ II. Инженерные методы расчета свайных фундаментов на различные виды нагрузок 216
ГЛАВА III. Инженерный метод расчета несущей способности внецентренно нагруженных групп свай с учетом пространственной гибкости фундамента 217
3.1. Оценка пространственной гибкости внецентренно нагруженных групп свай в грунте 218
3.2. Коэффициент неравномерности распределения вертикальной на грузки между сваями внецентренно нагруженных групп 220
3.3. Распределение осевых вертикальных нагрузок на сваи внецентрснно нагруженных групп 224
3.4. Инженерный метод определения расчетных нагрузок на сваи внецентренно нагруженных групп 225
3.5. Сопоставление результатов расчета по разработанной методике с данными натурных испытаний свайных фундаментов 228
ГЛАВА IV. Инженерный метод расчета внецентренно нагруженных групп свай по второму предельному состоянию 230
4.1. Инженерный метод расчета осадок свайных фундаментов 230
4.1.1. Основные результаты экспериментальных исследований работы свайных групп в плотных глинистых грунтах 233
4.1.2. Определение осадки прямоугольного штампа с учетом его заглубления 240
4.1.3. Развитие метода эквивалентного слоя на случай действия нагрузки внутри линейно-деформируемого полупространства 242
4.1.4. Расчет конечной стабилизированной осадки свайного фундамента 244
4.1.5. Определение деформационных характеристик грунтов при . расчете осадок свайных фундаментов 246
4.1.6. Оценка инженерной методики расчета осадок свайных фундаментов методом эквивалентного слоя с учетом глубины передачи нагрузки и уплотнения грунта при погружении свай 252
4.2. Инженерный метод расчета кренов внецентренно нагруженных групп свай с учетом пространственной гибкости фундамента 253
4.2.1. Определение фактического момента Мф, передающегося на сваи внецентренно нагруженной группы через вертикальные усилия 255
4.2.2. Учет глубины приложения нагрузки и горизонтального отпора грунта при определении крена свайного фундамента 257
4.2.3. Учет неоднородности грунтового основания при расчете кренов свайных групп 259
4.2.4. Инженерный метод расчета кренов внецентренно нагруженных ірупп свай с учетом пространственной гибкости фундамента 260
4.2.5. Сопоставление результатов расчетов с данными натурного испытания группы свай 264
ГЛАВА V. Инженерный метод расчета несущей способности горизонтально нагруженных групп свай 267
5.1. Определение коэффициента защемления К3, учитывающего факторжесткой заделки голов свай в ростверк 268
5-2, Определение коэффициента взаимовлияния свай КВЕ в горизонтально нагруженных группах 272
5.3. Инженерная методика расчета групп свай на горизонтальную нагрузку по результатам испытаний одиночных свай 276
5.4. Сопоставление результатов расчета по разработанной методике с данными натурных испытаний свайных фундаментов 281
5.5- Технико-экономическая оценка разработанной методики расчета 282
ГЛАВА VI. Учет влииния вертикальной нагрузки при расчете горизонтально нагруженных групп свай 284
6.1- Учет влияния вертикальной нагрузки при расчете несущей способности горизонтально нагруженных групп свай в стадии предельного состояния грунта основания 284
6.2. Учет влияния вертикальной нагрузки при расчете несущей способности горизонтально нагруженных групп свай в зависимости от их горизонтальных перемещений 287
6.3. Инженерная методика учета вертикальной нагрузки при расчете несущей способности горизонтально нагруженных групп свай 293 6.3-1. Расчет несущей способности горизонтально нагруженных
групп свай с учетом действия вертикальной нагрузки в случае предельного состояния фунтов оснований 294
6,3.2. Расчет горизонтально нагруженных свайных групп с учетом действия вертикального усилия в зависимости от горизонталь
ных смешений фундамента на уровне поверхности грунта 295
6,4. Технико-экономическая оценка разработанной методики расчета 298
Основные результаты и выводы по диссертации 302
Список литературы
- Аналитический эксперимент по исследованию закономерностей распределения продольных усилий на сваи и развития кренов внецентренно нагруженных групп
- Изучение закономерностей изменения несущей способности гори зонтально нагруженных групп свай в зависимости от различных факторов
- Коэффициент неравномерности распределения вертикальной на грузки между сваями внецентренно нагруженных групп
- Определение осадки прямоугольного штампа с учетом его заглубления
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Широкое применение свайных фундаментов в промышленном и гражданском строительстве началось с конца 60-х годов, когда впервые сваи как более индустриальный и экономичный тип фундамента стали использоваться не только в слабых грунтах, но и в плотных взамен фундаментов на естественном основании.
За прошедшие с тех пор годы многие научные работники в содружестве со специалистами проектных и строительных организаций обобщили накопленный опыт применения свай в различных грунтовых условиях, провели большой объем экспериментальных и теоретических исследований, разработали новые методы расчета и проектирования свайных фундаментов.
Большая заслуга в разработке научного подхода, систематизации результатов исследований и совершенствовании методов расчета свай принадлежит М.Ю.Абелеву, Ю.М.Абелеву, В.А.Барвашову, А.А.Бартоломею, Б.В.Бахолдину, В.Г.Березанцеву, А.С.Буслову, С.С.Вялову, Г.И.Глушкову, В.Н.Голубкову, А.Л.Гольдину, МН.Гольдштсйну, А.Л.Готману, А.А.Григорян, М.И.Горбунову-Посадову, Б.И.Далматову, Х.А.Джантимирову, Н.М.Дорошкевич, Б.И.Дидуху, К.Е.Егорову, Н.Т,Жадрасинову, К.С.Завриеву, Ю.К.Зарецкому, П.Л.Иванову, В.А.Ильичеву, Г.К.Клейну, Ю.М.Колесникову, П.А.Коновалову, Э.В.Костерину, АЛ.Крыжановскому, С.В.Курилло, С.Н.Левачеву, В.В.Леденеву, А.А.Луге, М.В.Малышеву, А.В.Паталееву, А.В.Пилягину, Б.А.Сальникову, К.С.Силину, З.Сирожиддинову, Н.К.Снитко, В.В.Соколовскому, Е.А.Сорочану, С.Н.Сотникову, А.С.Строганову, З.Г.Тер-Мартиросяну, Ю.Г.Трофименкову, С.Б.Ухову, А.Б.Фадееву, В.Г.Федоровскому, А.П.Хамову, В.Б.Шахиреву, В.И.Шейнину, Р.С.Шеляпину, Н,А.Цытовичу и др.
Однако и в настоящее время во многих случаях проекты свайных фундаментов выполняются с большим запасом, часто недоиспользуется несущая способность свай, а замеренная осадка, как правило, значительно меньше допускаемой для зданий и сооружений. Это говорит о существовании неиспользованных резер BOB в несущей способности свайных фундаментов, снижающих экономическую эффективность их применения, и актуальности дальнейших экспериментальных и теоретических исследований в этой области современного фупдаментостроения.
Одним из важнейших направлений повышения экономической эффективности и надежности свайных фундаментов является совершенствование методов их расчета, включая и инженерные методы, основанные на обобщении результатов экспериментальных работ.
Необходимость и актуальность развития инженерных подходов объясняется тем, что при разработке методов расчета свайных фундаментов приходится учитывать ряд специфических особенностей их работы, таких как глубина приложения нагрузки, неопределенность в закономерности ее распределения в плоскости нижних концов свай, взаимовлияние свай, уплотнение грунта и изменение его физических свойств и механических характеристик, вызванные погружением свай, и др. Отразить все это в строгом математическом решении практически не представляется возможным, а введение в расчетную схему и систему базовых уравнений многих упрощающих допущений приводит к существенной потере точности расчета, что не оправдывает его сложность. В этой ситуации вполне оправданным, на наш взгляд, является разработка инженерных методов расчета, когда установленные опытным путем функциональные зависимости, устойчиво отражающие влияние того или иного фактора или их сочетаний на работу свайного фундамента, используются для прогноза его поведения под нагрузкой. Такой подход к решению сложнейших проблем взаимодействия свай с грунтовым основанием при различных способах их нагружения позволяет существенно упростить расчет, обеспечив при этом приемлемую для решения инженерных задач точность, и широко используется на практике, особенно за рубежом. Эта точка зрения нашла свое отражение и в новых Московских городских строительных нормах (МГСН) «Основания, фундаменты и подземные сооружения», где ряд расчетов свайных фундаментов рекомендуется проводить по простым эмпирическим зависимостям.
Из вышесказанного формулируется следующая основная цель работы.
Цель диссертационной работы. Исходя из того, что работа свайных фундаментов определяется сложными процессами взаимодействия между сваями.
объединяющими их ростверками и грунтами межсвайного и окружающего пространства, причем процессы эти существенно меняются как при изменении схем силового воздействия на фундамент, так и геометрии самого фундамента, провести натурные, модельные и аналитические эксперименты и на основе анализа и обобщения установленных в экспериментах закономерностей разработать инженерные методы расчета свайных групп при различных схемах их погружения.
Под свайными группами в диссертационной работе подразумеваются отдельные свайные фундаменты (кусты свай), содержащие до 16 забивных свай с осевым расстоянием между ними не превышающим 6 d, где d - диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи, с жесткой заделкой их голов в железобетонный недеформируемый ростверк.
Методы исследований. Экспериментальные исследования работы свай и свайных фундаментов в различных фунтовых условиях проводились как. на моделях (в полевых и лабораторных условиях), так и в натуре.
Учитывая, что работа свайных фундаментов зависит от многих факторов, изучение влияния которых на поведение свайных групп под нагрузкой требует проведения большого числа опытов, основная часть экспериментов проводилась на моделях. Это позволило при допустимых затратах расширить круг рассматриваемых вопросов и получить большой объем информации. Здесь надо отметить, что опыт научных исследований как в нашей стране, так и за рубежом подтверждает возможность использования моделей при изучении взаимодействия фундаментов» включая и свайные, с грунтами основания для получения качественных, а при применении для моделирования работы свай метода расширенного подобия (Экимян Н.Б., 1975 г.) и количественных результатов, позволяющих установить необходимые для разработки новых и совершенствования существующих расчетных методов закономерности.
Надо отметить, что в ряде случаев возникала необходимость моделировать не только фундамент, но и грунт, т.е. всю систему «свайный фундамент - грунт». Это имело место, когда исследовалась работа фундаментов в связных грунтах в лабораторных условиях. Практика проведения таких исследований показала, что под готовку связного основания из естественного грунта можно осуществить только в очень небольших объемах, недостаточных для проведения широкого спектра исследований, а необходимость переукладки грунта от опыта к опыту делает почти невозможным получение основания с одинаковыми свойствами. В лабораторных условиях эта задача решалась путем моделирования работы свайных фундаментов по методу эквивалентных материалов.
Многофакторность системы «свайный фундамент - грунт» явилась причиной того, что в ряде случаев перспективным оказалось ее предварительное исследование на упрощенных расчетных схемах, в том числе и методами строительной механики. Это позволило еще до разработки программы экспериментальных исследований выделить из общего числа влияющих на систему факторов при том или ином виде ее нагружения наиболее существенные и осуществить оптимизацию и планирование эксперимента.
Так было осуществлено планирование эксперимента при изучении работы внецентренно нагруженных групп свай,
С другой стороны, теория планирования эксперимента может быть эффективно использована для анализа уже проведенных экспериментов, позволяя оценить степень влияния того или иного фактора на работу фундамента, что совершенно необходимо при разработке инженерных методик расчета. Так была проведена оценка факторов, влияющих на несущую способность горизонтально нагруженных групп свай.
По возможности результаты модельных исследований и аналитических экспериментов проверялись натурными испытаниями в полевых условиях, но всегда объем этих испытаний был строго ограничен. Причина, как известно всем исследователям, заключалась в чрезвычайной трудоемкости и большой стоимости проведения таких испытаний.
Следует сказать и еще об одном. Экспериментальные исследования в полевых условиях проводились по хоздоговорам и были связаны с необходимостью решения тех или иных конкретных производственных задач. Далеко не всегда удавалось расширить объем этих исследований и сделать еще что-то «для науки». Постоянно изменялись условия проведения экспериментов и их техническая оснащенность (богатый заказчик, бедный заказчик . . .). В результате не везде удалось построить строгую и логически выдержанную линию проведения исследований, свести их в одну комплексную программу, что, несомненно, затруднило обобщение полученных в разные годы результатов.
Несмотря на изложенные выше трудности в работе, по возможности, использовался следующий алгоритм проведения исследований:
- анализ имеющихся данных (экспериментальные исследования, методики расчета), их оценка и определение направлений дальнейших исследований;
- разработка на основе проведенного анализа и предварительных опытов расчетной схемы фундамента при том или ином виде его нагружения и проведение аналитического эксперимента;
- анализ и оценка результатов аналитического эксперимента, планирование эксперимента на моделях свай;
- проведение эксперимента на моделях, анализ и оценка его результатов, в том числе и на основе теории планирования эксперимента;
- проверка, по возможности, результатов экспериментов на моделях натурными экспериментами;
- разработка инженерной методики расчета;
- проверка разработанной инженерной методики расчета по результатам проведенных и опубликованных данных натурных испытаний и наблюдений.
Как уже отмечалось, не всегда удавалось строго придерживаться этой схемы вследствие различных условий проведения опытных работ, их целенаправленности, длительности и другим понятным специалистам причинам,
В результате проведенных исследований получен большой объем опытных данных. Часть из них была использована для решения конкретных задач, поставленных техническими заданиями и условиями договоров, другая часть, зачастую вместе с первой, использовалась для развития расчетных методов и получения информации по наименее изученным вопросам. Показать в работе весь объем полученных результатов не представляется возможным, да и целесообразным, поэтому в диссертации приводятся только основные из них, существенно влияющие на поведение групп свай при различных способах их нагружения и положенных в основу инженерных методов расчета. Автор счел полезным в кратком виде включить в диссертацию и основные результаты исследований работы центрально нагруженных свайных групп, подробно изложенные в его кандидатской диссертации. Это позволило сохранить определенную логику в изложении материала и обосновать принципиальные позиции инженерного метода расчета свайных фундаментов по второй группе предельных состояний.
Наряду с этим в диссертации отмечены и случаи в какой-то части явно неудавшихся экспериментов, например попытка тензометрических измерений усилий в свайных группах, изменениях свойств грунтов при погружении свай и т.п. Это было сделано, чтобы еще раз показать сложности, с которыми приходится или придется сталкиваться специалистам при проведении исследований работы такой сложной и многофакторной системы, какой является система «свайный фундамент - грунт». К тому же все еще остается ощущение, что «нелогичные» показания тен-зодатчиков, заложенных в сваи свайных групп не случайны и не являются следствием каких-то технических ошибок или несовершенства аппаратуры, а лишь указывают на сложнейший характер взаимодействия свай и грунта межсвайного пространства, не поддающийся строгому матем аги чес кому описанию, а требующий более простой схематизации характерной для инженерных методов расчета.
Научная новизна исследований:
- в результате проведенного комплекса модельных, натурных и аналитических экспериментов исследована работа свайных фундаментов и установлен ряд новых закономерностей взаимодействия групп свай с грунтовым основанием при различных схемах их нагружения.
- анализируя результаты экспериментов методами математической статистики, определены основные факторы, существенным образом влияющие на работу свайных групп при различных схемах их загружения.
- исследовано влияние длины свай и их числа в фундаменте на характер деформаций внецентренно и горизонтально нагруженных групп; предложена методика определения пространственной гибкости групп, учитывающая совместную работу всех свай в фундаменте; на основании экспериментальных данных установлены пределы гибкости, позволяющие разделить свайные фундаменты на три группы по характеру их деформаций в грунте: жесткие, средней жесткости и гибкие.
- на основании анализа и обобщения полученных экспериментальным путем ш закономерностей разработаны новые инженерные методы расчета свайных групп, адекватно отражающие влияние основных факторов на их работу при различных схемах нагружения фундаментов.
Предметом защиты является следующее:
- методология проведения и обработки опытных данных полевых, лабораторных и аналитических исследований работы свайных фундаментов при различных схемах их нагружения;
новые или уточненные закономерности взаимодействия свай с грунтовым основанием, полученные в результате обработки и анализа проведенных экспери Р ментальных исследований;
- методика оценки пространственной гибкости горизонтально или внецен-тренно нагруженных свайных групп, учитывающая совместную работу свай в фундаменте и грунта окружающего пространства; классификация свайных групп по показателю гибкости;
- новые инженерные методы расчета свайных групп при различных схемах их нагружения.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в том, что применение разработанных методик расчета позволяет полнее ф использовать несущую способность свай, в результате чего снижается стоимость фундамента за счет сокращения числа свай в нем и уменьшения размеров ростверка. В среднем, как показали расчеты, это приводит к сокращению расхода материалов на фундамент на 10-12%.
Методы расчета свайных групп представлены в удобной для проектировщиков форме, значения коэффициентов, входящих в расчетные формулы, табулированы.
В целом настоящая работа существенно расширяет и дополняет имеющиеся представления о работе свайных фундаментов. Результаты этой работы, включая и инженерные методы расчета, будут способствовать еще более широкому внедре нию свайных фундаментов в практику строительства, повышая экономичность и надежность принимаемых технических решений.
Личный вклад автора в решение поставленных задач. Экспериментальные исследования работы свайных фундаментов на различные виды нагрузок и их сочетания проводились в течение более чем 30 лет в лабораторных и полевых (на разных площадках) условиях и были связаны с необходимостью решения как чисто производственных, так и научных задач. Естественно, что такой объем испытаний мог быть выполнен только коллективом исследователей, в который входили сотрудники Лаборатории фундаментов кафедры Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ, аспиранты кафедры, научным руководителем или консультантом которых был автор настоящей диссертационной работы, а также сотрудники и технический персонал производственных, проектных и научно-исследовательских организаций, по договорам с которыми выполнялись, исследования. При этом основные направления исследований, их программы, осмысление и анализ полученных результатов, равно как и руководство проведением исследований, выполнялись, в основном, лично автором или при его прямом участии. Это же относится и к разработке инженерных методов расчета и сопутствующих им аналитических решений. В тех же случаях, когда для получения решений в качестве наводящих идей, начальных или промежуточных решений использовались результаты других авторов, в тексте диссертации сделаны соответствующие ссылки и оговорки.
Реализация результатов исследований. Разработанные инженерные методики расчета свайных групп были использованы рядом строительных и проектных организаций для корректировки проектов свайных фундаментов промышленных и гражданских объекгов в различных регионах страны. Среди этих организаций трест «ЖИЛСТРОЙ» (г. Пенза), Сибирский Государственный институт по проектированию заводов тракторного и сельскохозяйственного машиностроения «СИБ ГИПРОСЕЛЬХОЗМАШ» (г. Барнаул), трест «КАЗМЕТАЛЛУРГСТРОЙ» (гТемиртау), Красноярский «ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ» (отделение в г. Братске), Объединение «КАББАЛКАГРОПРОМСТРОЙ» (г. Нальчик) и др. В результа те было уменьшено число свай в фундаментах и их длина, что привело к экономии материалов, сокращению объемов работ и сроков строительства. Наблюдения за возведенными фундаментами показали их эксплуатационную надежность.
Наряду с этим результаты проведенных исследований были включены в следующие документы:
«Временные технические условия по расчету, проектированию и производству работ по свайным фундаментам зданий и сооружений в г. Москве», Москва, 1988 г.;
«Временные указания по проектированию свайных фундаментов заводов сельскохозяйственного машиностроения», г. Барнаул, 1982 г.
Материалов исследований были использованы также и при составлении Московских городских строительных норм «Основания, фундаменты и подземные сооружения» (МГСН 2.07-97).
Другой формой реализации результатов исследований является включение разработанных инженерных методик расчета в «Методические указания по расчету и проектированию свайных фундаментов» для студентов-дипломников специальности 2903 (1985 г.), учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по строительным специальностям «Инженерный метод расчета горизонтально нагруженных групп свай» (2000 г.) и учебник «Механика грунтов, основания и фундаменты» (1994, 2002 гг.), соавтором которого является автор настоящей работы.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались автором на Всесоюзной конференции «Совершенствование технологии работ нулевого цикла с использованием средств механизации и автоматизации», г. Уфа, 1981 г.; на 41-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ института, МИСИ им.В,В.Куйбышева, 1982 г.; на конференции «Проблемы и практика фундаментостроения промышленных, сельскохозяйственных, жилых и общественных зданий применительно к условиям Восточной Сибири», г. Иркутск, 1983 г.; на XI Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению, Сан-Франциско, 1985 г., на II Всесоюзном совещании «Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР», г. Одес ca, 1990 г., на ТИ Международной конференции «Проблемы свайного фундаментостроения», г. Минск, 1992 г., на IY Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения «Совершенствование методов расчета и технологии устройства свайных фундаментов», г. Пермь, 1994 г., на I Казахстанской национальной геотехнической конференции с иностранным участием «Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы», г. Акмола, 1997 г., на семинарах по современным теоретическим и прикладным проблемам механики грунтов, Российский Университет дружбы народов (РУДН), 2000 и 2001 гг,, НИИОСП им. Герсеванова (2001 г.).
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит их двух частей и шести глав: в первой части (главы І- Н) изложены результаты экспериментально-аналитических исследований работы свайных фундаментов и их анализ, во второй части (главы III-YI) - инженерные методы расчета свайных фундаментов на различные виды нагрузок. Диссертация изложена на 375-ти стандартных страницах, содержит 36 таблиц. 92 рисунка, библиографию из 327 наименований и шесть Приложений.
Автор считает приятным долгом поблагодарить своего первого учителя по свайным фундаментам профессора Нину Михайловну Дорошкевич за помощь и проявленное терпение в течение более чем 30 лет нашей совместной работы, всех сотрудников кафедры за конструктивное многолетнее сотрудничество, доброжелательное отношение и поддержку, что позволило закончить эту работу, и еще многих-многих (невозможно всех перечислить!), кто внес свой вклад в представленную к защите работу и кого я хорошо помню.
Аналитический эксперимент по исследованию закономерностей распределения продольных усилий на сваи и развития кренов внецентренно нагруженных групп
Анализ методов расчета и результатов ранее проведенных экспериментальных исследований работы внецентренно нагруженных групп свай показал, что их взаимодействие с грунтовым основанием и, в частности, закономерности распределения вертикальных нагрузок на сваи и развития кренов фундаментов зависят от многих факторов. К этим факторам относятся параметры групп свай (число свай в группе и их расположение в плане, расстояние между сваями, длина и размеры поперечного сечения свай), грунтовые условия, величина и эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки, тип ростверка (низкий или высокий) и способ сопряжения с ним свай (шарнирное соединение или жесткая заделка).
Экспериментальные исследования работы такой сложной системы в широком диапазоне изменения всех указанных факторов даже при условии их проведения на моделях практически невозможны. В результате опыты отечественных и зарубежных ученых ограничивались, как правило, либо определенными грунтовыми условиями, либо одним типоразмером свай.
Учитывая это, ниже проведены исследования совместной работы внецен-тренно нагруженных групп свай и грунтового основания аналитическим путем, что позволило изучить закономерности распределения продольных нагрузок на сваи и развития кренов свайных групп в достаточно широком диапазоне изменения влияющих на них факторов.
В основу аналитического эксперимента положена расчетная схема взаимодействия групп свай с грунтовым основанием, предложенная и развитая до практического использования для расчета морских платформ в работах В.Г.Федоровского, С.Н.Левачева, Ю,М. Колесникова и С.В-Курилло. Использование этой расчетной схемы для практических расчетов показало, что она достаточно близко отражает полученные опытным путем при решении частных задач закономерности изменения деформируемости системы "группа свай - грунтовое основание" и возникающих в ее элементах усилий. Это позволило предположить, что данная расчетная схема может быть использована для изучения закономерностей влияния тех или иных факторов на работу внецентренно нагруженных групп из железобетонных свай, несмотря на то, что условия их работы существенно отличаются от условий работы опор в основании морских нефтегазопромысловых платформ.
Вариант этой расчетной схемы, отражающий конструктивные особенности групп из железобетонных свай используемых в качестве фундаментов под промышленные и гражданские объекты (недеформируемый ростверк, жесткая заделка голов свай) и условия их работы (небольшие горизонтальные смещения на уровне подошвы ростверка) показан на рис. Ы.
Рассматривается группа свай с недеформируемым ростверком и жестким защемлением голов свай. Действующая на группу свай внецентренная нагрузка заменяется сочетанием центральной вертикальной нагрузки N и момента М.
В результате действия нагрузки группа свай получает вертикальную осадку Wpi горизонтальное смещение ир и поворот Ч р, а на боковых поверхностях свай возникает горизонтальный реактивный отпор грунта, замененный рядом сосредоточенных сил. -—-h. sm?2 з га V А. м З ККЕ Рис. 1.1. Расчетная схема аналитического эксперимента. Вследствие недеформируемости ростверка в местах заделки свай соблюдаются следующие условия: - все сваи получают одинаковое горизонтальное перемещение, равное перемещению ростверка, что записывается в виде US = Uj = Up (1-2) - углы поворота плиты ростверка в местах закрепления голов свай равны между собой 4 = j -Тр (1.3) В качестве общих условий статического равновесия группы свай рассматриваются: - равенство проекций всех сил на вертикальную ось z N = ZNi (1.4) - равенство нулю моментов относительно центральной оси ростверка, т.е. точки с координатами х = у = О М- Е (Mi+ 14 ,)-0 (1.5) где Nj - вертикальное усилие в і - ой свае группы; N.XL - момент, возникающий от продольных усилий в і - ой свае; М; - момент, возникающий в месте заделки і -сваи в ростверк в результате действия горизонтального реактивного давления грунта,
Под действием приложенных нагрузок жесткий ростверк получает вертикальное смещение Wp в точке х = у - 0 и поворот Тр (положительный при совпадении с действием момента). Предполагается при этом, что вертикальные осевые усилия между сваями группы распределяются пропорционально их осадкам.
При смещении ростверка под действием приложенных сил осадка і-ой сваи определится зависимостью Wi-Wp + Ч рХі (1.6) В то же время полная осадка Wj і-ой сваи с учетом взаимовлияния соседних свай вычисляется по формуле Wi = Wi(N1) + ZWl(NJ), (1.7) где Wi(Ni) — собственная осадка і-ой сваи от действия на нее вертикальной силы N ; Wj(Nj) - дополнительная осадка і-ой сваи от действия на соседнюю j-ую сваю вертикальной силы Nj (i= 1; j і). Рассматривая грунт как линейно деформируемое полупространство, характеризуемое модулем сдвига G и коэффициентом Пуассона V, осадки Wj(Nj) и Wj(Nj) можно определить по методике ВХ.Федоровского. Согласно этой методике осадка сваи W,(N,) определяется по формуле
Изучение закономерностей изменения несущей способности гори зонтально нагруженных групп свай в зависимости от различных факторов
По подсчетам специалистов (Ю.К-Сенцов) имеется уже более 400 работ, посвященных вопросу исследования работы одиночных свай на действие горизонтальных и наклонных нагрузок, что позволило разработать достаточно надежные и проверенные на практике методы их расчета. Значительно меньше изучена работа горизонтально нагруженных групп свай, методы расчета которых можно разделить на две основные группы: - методы определения несущей способности горизонтально нагруженных групп свай по сопротивлению одиночной сваи со свободной головой; - методы расчета горизонтально нагруженных групп свай как рамных систем.
Наибольшее распространение в практике проектирования нашли методы расчета первой группы, поскольку они базируются на более развитых и экспериментально обоснованных методах расчета одиночных свай.
Методы расчета второй группы в силу условности их расчетных схем и относительной сложности широкого применения при проектировании горизонтально нагруженных свайных фундаментов в промышленном и гражданском строительстве не нашли и применяются, в основном, при расчете фундаментов гидротехнических сооружений и свайных опор морских платформ для нефтедобывающего оборудования.
Вернемся к методам первой группы. Практика показала, что эффективность и надежность этих методов в значительной мерс зависит от правильности перехода от сопротивления горизонтальной нагрузке одиночной сваи со свободной головой к сопротивлению горизонтально нагруженной i-руппы. Сложность этого перехода заключается в том, что, как показали результаты проведенных экспериментов, средняя несущая способность сваи в горизонтально нагруженной группе с жесткой заделкой голов свай в педеформируемый ростверк (далее, для краткости, просто «в ростверк») существенно отличается от сопротивления одиночной сваи со свободной головой. Эту разницу принято выражать через коэффициент кустового эффекта Кю, который определяется как где Ргг - сопротивление горизонтально нагруженной группы, соответствующее определенному горизонтальному перемещению ростверка на уровне поверхности грунта; Рго - сопротивление горизонтальной нагрузке одиночной сваи со свободной головой при том же горизонтальном перемещении; п — число свай в группе.
Имеющийся опытный материал, представленный в таблице 2.1, показывает, что средняя несущая способность сваи в горизонтально нагруженной группе всегда выше сопротивления одиночной сваи со свободной головой, а коэффициент Кю может изменяться в широких пределах в зависимости от условий проведения экспериментальных работ.
Известно, что разница между средней несущей способностью сваи в горизонтально нагруженной группе и несущей способностью одиночной сваи со свободной головой является следствием жесткой заделки голов свай в ростверк и их взаимовлияния через грунт при совместной работе. Очевидно, что из этих двух факторов наиболее значимым является фактор защемления голов свай в ростверк, приводящий к изменению характера их работы в грунте, что наглядно видно из схем B.Broms па рис. 2.1,
Согласно этим схемам горизонтально нагруженные сваи по характеру их деформаций в грунте условно делятся на три категории; короткие жесткие, короткие гибкие и длинные гибкие. Не останавливаясь на вопросе методики разделения свай на эти категории, подробно рассмотренном в предыдущей главе, проанализируем их работу во всех трех случаях.
Если короткая жесткая горизонтально нагруженная свая со свободной голо-вон поворачивается в грунте без изгиба (Рис. 2.1 а), то та же свая с головой, заделанной в ростверк, под действием горизонтальной нагрузки перемещается поступательно. Очевидно, что в этом случае горизонтальное перемещение головы сваи, заделанной в ростверк, будет существенно меньше, чем головы свободно стоящей сваи (по данным B,Broms в 3 и более раз).
Короткие гибкие горизонтально нагруженные сваи (Рис. 2Л.6) поворачиваются в грунте с изгибом, но при заделке сваи в ростверк этому повороту кроме сопротивления грунта будет препятствовать еще и обратный момент в заделке. Это приведет к снижению ее горизонтального перемещения по сравнению со сваей со свободной головой при одной и той же горизонтальной нагрузке.
Потеря несущей способности горизонтально нагруженной длинной гибкой сваей со свободной головой происходит в результате образования пластического шарнира на некоторой глубине от поверхности грунта (Рис. 2.1 в). Для потери несущей способности горизонтально нагруженной заделанной длинной сваей необходимо образование двух пластических шарниров, превращающих ее в механизм: в месте заделки сваи в ростверк и на некоторой глубине от поверхности грунта. Как и в случае коротких гибких свай, дополнительный момент, возникающий в месте жесткой заделки, приведет к уменьшению горизонтального перемещения сваи по сравнению со свободно стоящей (по данным G.Mak-Cammon и D.Akkerman в 2,6 раза).
Влияние защемления головы сваи на ее сопротивление действию горизонтальной нагрузки экспериментально исследовалось В,Н.Голубковым, Л.Ш.Лундиным, Е.А.Рабиновичем, Г.Ф.Шишко и др. Результаты этих исследований, приведенные в таблице 2.2, показывают, что да, жесткая заделка увеличивает несущую способность сваи в горизонтально нагруженной группе, однако степень этого увеличения, оцениваемая коэффициентом защемления К3, в зависимости от условий проведения опытов различна, что затрудняет ее определение в каждом конкретном случае.
Коэффициент неравномерности распределения вертикальной на грузки между сваями внецентренно нагруженных групп
При отсутствии эксцентриситета приложения нагрузки по одной из осей соответствующий коэффициент неравномерности Кн принимается равным единице.
Формулы (3.11) и (3,12) позволяют определять расчетные нагрузки на крайние сваи внецентренно нагруженных фундаментов с учетом реактивного бокового отпора грунта и пространственной работы свайных групп, имеющих показатель гибкости, определенный по формуле (3.2), F 1.
Инженерный метод определения расчетных нагрузок на сваи внецентренно нагруженных групп.
На основании вышеизложенного разработана методика определения расчетных нагрузок на сваи внецентренно нагруженных групп с учетом их пространственной гибкости. Методика распространяется на группы с пространственной гибкостью F 1 при относительном эксцентриситете приложения вертикальной нагрузки X 1. Расчет производится в следующем порядке.
1. Определяется число свай в группе без учета эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки: n=ykNd/Fd , где Nd - расчетная вертикальная нагрузка на свайный фундамент; Fd - несущая способность сваи; ук - коэффициент надежности, определяемый по указаниям п.ЗЛОСНиП 2.02.03-85.
2. После расстановки требуемого числа свай в плане вычисляются показате ли гибкости свайной группы Fx и Fy по осям X и Y плана свайного фундамента соответственно: Fx= 0,635 l[E/(l-v2)(E6l)rx J1 4, Fy = 0 6351lE/(l-v2)(E6I)iy]1/4, где 1 - длина сваи; Е и v - модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта в пределах длины сваи. При слоистом напластовании грунтов принимаются средневзвешенные значения этих характеристик Еш и vm, определяемые по формулам (3.4); (Еб1)гх и (Еб1)г - жесткости свайной группы на изгиб относительно главных осей плана ростверка, определяемые по формулам Е5І)гх = Е(ЕбІІХ) СВ 5 (Еб1)Гу = і (Еб1іу)св , где (ЕбІіх)св и (Еб1у)сн - изгибная жесткость і-ой сваи относительно главных осей плана ростверка; Еб - модуль упругости бетона; Ііх и 1\у - моменты инерции і-ой сваи относительно главных осей фундамента, определяемые как Iiy = IM + соу,2 , # 227 где со - площадь поперечного сечения сваи; 1СВ- собственный момент инерции поперечного сечения сваи; \[ и у, - расстояния от оси і-ой сваи до главных осей фундамента. 3. Проверяется соблюдение условий Fx 1 и Fy 1. 4. Определяются относительные эксцентриситеты приложения вертикальной нагрузки X и Xyi х " Ejt f Сцр,к Лу — Су / Є]ф_у , где е и еу - эксцентриситеты приложения вертикальной нагрузки; епр,х = X Xi2 / пх; епру = Zу2/ny , где х и у - расстояния от главных осей фундамента до осей крайних свай; х, и у -расстояния от осей і-ой сваи до главных осей плана фундамента. 5. Проверяются условия Хх 1 Ху 1. 6- По известным значениям пространственной гибкости фундамента F и относительного эксцентриситета к по таблицам Приложения I находят коэффициенты КЧх и К„г 7. По формулам (ЗЛ1) при эксцентриситете приложения вертикальной нагрузки в одной плоскости или по формулам (3.12) при эксцентриситете приложения вертикальной нагрузки в двух плоскостях определяют расчетные вертикальные усилия на крайние сваи группы. 8. Проверяется условие: Nma4 l,2Fd/vk.
Сопоставление результатов расчета по разработанной методике с данными натурных испытаний свайных фундаментов.
Для оценки разработанной методики определения расчетных нагрузок на сваи внецентренно нагруженных групп было проведено сопоставление результатов расчета с данными натурного испытания свайного фундамента, проведенного в Перми (Бартоломей А.А. и др., 1971)
Опытный фундамент состоял из 6-ти железобетонных свай сеч. 25x25 см длиной 6,0 м. Осевое расстояние между сваями в плане составляло 6d5 т.е. 150 см, вертикальная нагрузка прикладывалась с эксцентриситетом е = 75 см.
Определение осадки прямоугольного штампа с учетом его заглубления
Неоднородность (слоистость) грунтового основания при расчете кренов свайных групп по разработанной методике необходимо учитывать при определении следующих расчетных характеристик: - при оценке пространственной гибкости фундамента F и последующем определении коэффициента неравномерности передачи нагрузки Кн; - при расчете крена фундамента по формуле (4.21), куда входят деформационные характеристики грунтового основания Е и v под нижними концами свай; - при назначении коэффициента К по таблицам Приложения III.
При определении пространственной гибкости фундамента по формуле (3.2) в расчет вводятся средневзвешенные значения деформационных характеристик грунтов в пределах длины свай, определяемые по формулам (3.4) Ега = ЕЕД/Н; vm = Z vili / Н, где Ет и vm - соответственно средневзвешенные значения модуля деформации и коэффициента Пуассона грунта в пределах длины свай; Е[ и v, - модуль деформации и коэффициент Пуассона і-го слоя грунта; 1, - толщина і-го слоя грунта, прорезаемого сваей,
Здесь следует отметить, что изменение коэффициента Пуассона в обычных для грунтов пределах от 0,2 до 0,4 практически не сказывается на величине гибкости фундамента F, определенной по формуле (3,2). Это позволяет во всех случаях принимать в расчетах гибкости и последующем назначении коэффициента Ки по таблицам Приложения I v= 0,3.
Для учета неоднородности основания под нижними концами свай необходима предварительная оценка мощности сжимаемой толщи. Наиболее просто это можно сделать, используя метод эквивалентного слоя Н.А.Цытовича, развитый в данной работе на случай действия нагрузки внутри линейно-деформируемого полупространства.
Зная мощность сжимаемой толщи, которая по методу эквивалентного слоя определяется как Н = 2h eq, где h — мощность эквивалентного слоя, определяемая с учетом глубины приложения нагрузки по формуле (4.8), среднее значение модуля деформации грунтов ЕП в ее пределах находится по следующей формуле (4.12) Em = 0,5(111)2 ./2 , где Н - мощность активной зоны сжатия грунта; h, — мощности отдельных слоев грунта, входящих в активную зону сжатия; Е\ - модуль деформации і-го слоя грунта; Zj - расстояние от нижней границы сжимаемой толщи до середины каждого слоя (см. рис. 5.1).
При наличии данных испытания свай пробной статической нагрузкой среднее значение модуля деформации грунта Ет определяется по той же формуле (4.12), но при этом первый от подошвы условного фундамента слой грунта принимается мощностью равной четырем диаметрам сваи 4d с модулем Е, определенным по формуле (4.16).
Инженерный метод расчета кренов внецентренно нагруженных групп свай с учетом пространственной гибкости фундамента.
Изложенное выше позволило разработать инженерный метод расчета кренов свайных фундаментов, учитывающий их пространственную гибкость и глубину приложения нагрузки. Напоминаю, что метод разработан для групп свай, обладающих пространственной гибкостью в грунте F 1 при относительном эксцентриситете приложения вертикальной нагрузки Хй1.
Для расчета крена фундамента по разработанной методике необходимы следующие данные, 1 Величина расчетной вертикальной нагрузки Nd и эксцентриситет ее приложения относительно одной или двух осей 261 2. Параметры свайной группы: длина и размеры поперечного сечения свай, число свай в группе, расстояния между сваями и их расстановка в плане. 3. Деформационные характеристики Е и v грунтов как прорезаемых сваями, так и ниже их концов. 4. Мощности слоев грунта.
Расчет крена производится в следующем порядке (поскольку крен фундамента определяется независимо по двум направлениям, рассмотрен порядок расчета для действия момента только в одной плоскости).
1. По формуле (3.2) определяется пространственная гибкость свайной группы в плоскости действия момента, вызванного внецентренньш приложением вертикальной нагрузки относительно одной из ее осей. F = 0,635 1[E/(l-v2)(E6I)r]l/4, где 1 - длина сваи в грунте; Е и v - соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта. При слоистом напластовании грунтов принимаются средневзвешенные значения Е и v в пределах длины сваи, определяемые по формулам (3.4), при этом средневзвешенное значение v допускается принимать без расчета равным 0,3 0Э35; (Еб1)г - жесткость свайной группы на изгиб в плоскости действия момента относительно главной оси плана ростверка, определяемая по формуле (3.3) (Еб1)г = (()„, где (ЕДОсв - изгибная жесткость і-ой сваи относительно главной оси плана ростверка; Еб - модуль упругости бетона; Ї,- момент инерции і-ой сваи относительно главной оси фундамента, определяемый как Г=1СЕ + Сйх,2, 262 где со - площадь поперечного сечения сваи; 1св- собственный момент инерции поперечного сечения сваи; х{ - расстояние от оси і-ой сваи до главных осей фундамента. 2. Проверяется условие F 1,0. 3. Определяется относительный эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки X где ех - эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки; ЄПр.х=Хі2/і1Х, где х - расстояние от главной оси фундамента до оси крайней сваи в плоскости действия момента; х$ - расстояние от главной оси фундамента до оси І-ой сваи в плоскости действия момента; п - число свай в фундаменте. 4. Проверяется условие X 1,0. 5. Если условия пп.2 и 4 удовлетворяются, то по известным значениям гибкости F и относительного эксцентриситета X по таблицам Приложения I находится коэффициент неравномерности распределения нагрузки Кн. 6. В зависимости от отношений L/B и 21/В (где L и В - длина и ширина условной площади передачи нагрузки, определяемые по внешним граням свай, как это показано на рис. 4.2, а 1 - длина сваи в грунте) и значения коэффициента X для грунта под подошвой условного фундамента по таблицам Приложения III находится коэффициент Кц,.
