Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опыта применения и методов расчета свайных фундаментов с развитой боковой поверхностью
1.1 Конструктивные решения свайных фундаментов с развитой боковой поверхностью и перспективы их развития 9
1.2 Процессы и явления, наблюдаемые при взаимодействии сваи с грунтом 12
1.3. Анализ методов определения предельных и расчетных нагрузок на сваю 28
Выводы 34
2 Обоснование выбора рационального сечения сваи с развитой боковой поверхностью
2.1 Исходные данные для выбора 35
2.2 Алгоритм и методика выбора 35
2.3 Результаты совершенствования забивных свай с развитой боковой поверхностью 36
Выводы 43
3 Экспериментальные исследования несущей способности свай таврового сечения .
3.1 Методы исследования 45
3.2 Материалы и экспериментальное оборудование 46
3.3 Результаты экспериментальных исследований на статические нагрузки 51
3.4 Результаты экспериментальных исследований на динамические нагрузки 56
3.5 Анализ результатов экспериментальных исследований 58
3.6 Конструктивные решения модульных свай таврового сечения... 60
3.7 Технико-экономическая целесообразность применения мо
дульных свай таврового сечения 63
3.8 Разработка и совершенствование составных свай на основе модульных таврового сечения и перспективы их развития 67
Выводы 69
4 Взаимодействие составной сваи (из модульных свай таврового сечения) с прилегающим массивом глинистого грунта
4.1 Исходные данные и теоретические предпосылки 71
4.2. Результаты исследования взаимодействия составной сваи с глинистым грунтом и их анализ 81
4.3. Моделирование работы сваи таврового сечения 89
4.4. Методика расчета несущей способности и построение расчет-ной схемы свай таврового сечения при действии вертикальных и горизонтальных и нагрузок 103
Выводы 109
Основные выводы
Список литературы 112
Приложения 121
- Процессы и явления, наблюдаемые при взаимодействии сваи с грунтом
- Результаты совершенствования забивных свай с развитой боковой поверхностью
- Результаты экспериментальных исследований на статические нагрузки
- Результаты исследования взаимодействия составной сваи с глинистым грунтом и их анализ
Введение к работе
Экономическая ситуация сложившаяся в большинство городов России оказала влияние на развитие строительного комплекса, что выразилось в увеличении габаритов зданий и сооружений, а так же в возведении многоэтажных зданий. Во многих случаях для строительства используются площади, ранее считавшиеся непригодными для строительства (овраги, поймы рек). В этих сложных условиях свайные фундаменты являются наиболее целесообразными, экономически выгодными. Доля свайных фундаментов составляет более 25%, от общего объема фундаментов, а в некоторых районах на свайных фундаментах возводится от 40% до 70% зданий и сооружений. Доля стоимости фундаментов сооружаемых в неблагоприятных условиях составляет 25-30% от стоимости здания.
В каждом конкретном случае выбор типа свайного фундамента находится в зависимости от инженерно-геологических условий строительной площадки, параметров здания и номенклатуры изделий, выпускаемых строительной индустрией данного региона.
В основном используются сваи квадратного сечения, как наиболее технологичные в изготовлении и удобные при транспортировке. Несущая способность основных типов висячих свай складывается из несущей способности под острием сваи и сил трения по боковой поверхности. Силы трения боковой поверхности оказывают значительное влияние на несущую способность свай. В этих условиях существенную роль играет форма поперечного сечения сваи, так как ее изменение при сохранении несущей способности позволяет существенно уменьшить материалоемкость свай. Примером такого подхода к решению подобных задач является появление трехлепестковых, крестообразных и тавровых свай. Используя эти сваи как модули, возможно создание составных свай и систем, воспринимающих сложные сочетания больших нагрузок.
Для подтверждения этих предпосылок нами были выполнены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования составных свай.
В данной работе модульной принята свая таврового поперечного сечения с площадью боковой поверхности равновеликой соответствующей стандартной свае (30x30, 35x35 см и т.д.), что позволяет при их равной несущей способности уменьшить площадь поперечного сечения, существенно снизить объем бетона и арматуры.
Актуальность Одним из важнейших направлений технического прогресса в строительстве является применение эффективных конструкций, уменьшение затрат за счет снижения материалоемкости, трудоемкости и энергозатрат. Это может быть достигнуто за счет освоения, совершенствования и внедрения новых видов конструкций, к числу которых относятся сваи с развитой боковой поверхностью, в частности, сваи модульные забивные Т-образные, обладающие качественно новыми свойствами, отличающими их от ранее известных аналогов, что подтверждается свидетельством на полезную модель №3773 от 16.03.1997 г. Однако, внедрение таких свай в практику строительства, затруднено ввиду недостаточных экспериментально-технических исследований взаимодействия свай с прилегающим массивом, недостаточной разработанности методов их расчета и проектирования; малого опыта применения свай с развитой боковой поверхностью.
Цель работы: разработка, исследование и внедрение модульных свай с развитой боковой поверхностью (тавровых) и составных свай на их основе.
Задачи исследования:
установить рациональное поперечное сечение свай с развитой боковой поверхностью и область рационального их применения с учетом формирования несущей способности, удельного расхода материала, видов грунтов, глубины погружения;
разработать конструкции фундаментов на основе модульных свай таврового сечения с учетом действующих сложных сочетаний нагрузок;
изучить взаимодействие свайных фундаментов на основе модульных свай с вмещающей грунтовой средой и установить зависимость несущей способности и его осадки от нагрузки;
разработать методику расчета несущей способности составных свай на основе модульных;
проверить результаты теоретических исследований экспериментально в натурных условиях.
Научная новизна работы:
обоснование области рационального использования свай с развитой боковой поверхностью в зависимости от грунтовых условий и длины свай;
обоснование влияния боковой поверхности тавровых свай на несущую способность для различных видов грунтов;
результаты экспериментально-теоретических исследований взаимодействия составных свай с вмещающей грунтовой средой;
разработана рациональная конструкция модульных тавровых свай с развитой боковой поверхностью (новая свая защищена свидетельством на полезную модель 3773 от 16.12.97 г.).
Практическая ценность состоит в разработке рациональной конструкции модульной тавровой сваи с развитой боковой поверхностью, позволяющей снизить материалоемкость сваи на 40 - 42 % и до 20% арматурной стали по сравнению со стандартной; в разработке составных свай на основе модульных для восприятия сложных сочетаний нагрузок; в разработке технических условий ТУ 5817-006-020666339-00 «Сваи модульные забивные Т-образные»; внедрении результатов работы в практику проектирования, изготовления и строительства.
На защиту выносится:
результаты экспериментально-теоретических исследований взаимодействия составных свай на основе модульных с развитой боковой поверхностью с вмещающей средой;
7 методика расчета несущей способности свай таврового сечения на
действие вертикальных и горизонтальных нагрузок;
- результаты натурных испытаний свай с развитой боковой поверхно
стью;
результаты выбора рационального поперечного сечения свай с развитой боковой поверхностью и область рационального их применения;
конструкция фундамента на основе свай с развитой боковой поверхностью.
Апробация работы: Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на конференциях: «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», посвященная 30-летию академии, г. Белгород, 2000 г.; «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века», посвященная памяти В.Г. Шухова, г. Белгород 2001 г.; «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», г. Пенза 2003г.
Публикации по теме работы:
По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья депонирована во ВНИИ ТЭИ Агропром, 4статьи в межвузовских сборниках научных трудов, тезисы докладов, технические условия, статья в центральных технических изданиях.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 142 стр., включая 62 рисунка, 15 таблиц, списка литературы из 108 наименований и 5 приложений.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, приведена общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту.
В первой главе изложено состояние вопроса, обобщены и проанализированы конструкции свай с развитой боковой поверхностью, существующие способы расчета несущей способности свай; дается анализ исследований работы
8 свай в глинистых грунтах; приводятся задачи и краткие выводы настоящих исследований.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию выбора оптимального поперечного сечения сваи с развитой боковой поверхностью.
Из рассмотренных видов поперечных сечений (квадратного, трехлепест-кового, крестообразного, треугольного, кольцевого, таврового) свай на основе анализа конструктивно- технологических и технико-экономических показателей оптимальным признано тавровое сечение. Установлена зависимость несущей способности, материалоемкости от сечения свай для различных видов грунтов.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свай таврового сечения. Содержит описание внедрения и оценку эффективности модульных свай таврового сечения. Предложены варианты составных свай на основе модульных таврового сечения на восприятие сложных сочетаний нагрузок и рациональной конфигурации в плане.
Четвертая глава посвящена определению параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг сваи. На основе экспериментальных и теоретических данных предложена методика расчета свай таврового сечения на вертикальные и горизонтальные нагрузки
Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова на кафедре ПГС.
Автор выражает благодарность научному руководителю член-корр. РААСН профессору В.А. Ивахнюку, научному консультанту к.т.н., профессору В.В. Кочерженко за идею диссертационного исследования и предоставление материалов по предыдущим исследованиям и постоянную помощь в работе; ра-
ботникам ФУП «ВИОГЕМ» А.В. Киянец, А.Н. Зеленскому; к.т.н. рУШ. Винако-
ву| за оказание помощи в выполнении диссертационной работы, ОАО «Шебекиностройдеталь» за представленную возможность проводить исследования в заводских условиях, а также всем, кто принимал участие и оказал содействие в выполнении данной работы.
Процессы и явления, наблюдаемые при взаимодействии сваи с грунтом
Как известно, при забивке свай, вокруг них образуются области деформации грунта со значительным уплотнением по боковой поверхности и ниже плоскости острия. При расчете свай с большим относительным заглублением необходимо учитывать уплотнение грунта в зоне пластических деформаций.
Для получения достоверных результатов необходимо выбрать такую модель основания, которая близка к реальной грунтовой среде по двум критериям: по распределительной способности и по осадкам сооружения.
Как известно, простейшие модели основания были предложены Н.И. Фуссом (1798 г.) и значительно позже - Winkler Е. (1867 г.) и Zimmermann Н. (1888 г.). Многие авторы отождествляют эти модели, называя моделью Фусса -Винклера, что не вполне корректно, т.к. Фусс исходил из прямой пропорциональности между местными остаточными деформациями и давлением на грунт, а Винклер предписывал эту связь местным упругим деформациям. Поэтому модель Фусса соответствует только односторонней связи конструкции с основанием, а Винклерова модель - двухсторонней. В дальнейшем А.С. Григорьеву удалось объединить эти модели в единую модель, обладающую способностью описывать упругие и остаточные деформации, причем остаточные деформации, аналогично идее Prandtl, проявляются только после достижения контактными напряжениями некоторого предельного значения.
Главным недостатком модели прямой пропорциональности является ее неспособность описывать распределительную способность основания. Распределение контактных давлений в ней происходит только за счет гибкости самой фундаментной конструкции. Если же фундаменты абсолютно жесткие, либо загружены сплошной равномерно распределенной нагрузкой, перераспределение давлений не происходит. Кроме того, эта модель не может оценить взаимное влияние фундаментов и близко расположенных зданий.
Несмотря на указанные недостатки, модель Винклера успешно применяется у нас и за рубежом при проектировании плит аэродромных покрытий, протяженных фундаментов и стержневых конструкций, контактирующих с грунтом.
Исследования, проведенные С.Н. Клепиковым, Е.А. Палатниковым, Н.С. Метелюком, К.С. Завриевым и Г.С. Шпиро, В.И. Лишаком и А.В. Вронским и другими, показали, что модель Винклера при принятии экспериментально обоснованного закона распределения коэффициента постели с(х) дает близкие к реальным значения усилий и перемещений в фундаментах. Кроме того, эта модель позволяет оценить неоднородность основания и удобна при описании реологических свойств грунтов в условиях одноосного сжатия.
Вместе с тем, следует подчеркнуть, что модели Фусса, Винклера и Григорьева являются чисто «контактными» моделями и не пригодны для оценки напряженно-деформированного состояния грунтового массива. Первые попытки получения строгого решения, без использования гипотезы прямой пропорциональности, были сделаны Г.Э. Проктором в 1919 г., изучавшим взаимодействие балки с упругим полупространством на основе классического решения J. Boussinesq для сосредоточенной силы на границе. Широкому практическому использованию модели полупространства способствовали исследования М.И. Горбунова-Посадова, Б.Н. Жемочкина, А.П. Синицына, Л.П. Винокурова и других ученых. Ими были составлены таблицы функций единичных осадок и разработаны численные методы решения контактных задач с использованием классических приемов строительной механики и теории упругости, ставших доступными инженерным работникам. Однако, с помощью полупространства можно удовлетворить лишь одному критерию выбора расчетной модели основания - получению средних осадок фундаментов, близких к натурным, за счет соответствующего назначения модуля общей деформации основания Е, т.к. коэффициент Пуассона здесь не оказывает заметного влияния. Что же касается распределительной способности этого основания, то она предопределена свойствами полупространства и, как показывают многочисленные исследования, чрезмерно завышена, что приводит к концентрации отпора под краями фундаментов и увеличению усилий общего изгиба.
Таким образом, существуют две модели с принципиально противоположными распределительными свойствами - модель прямой пропорциональности и модель полупространства (полуплоскости). Преимущества первой в простоте описания переменных свойств основания на контактной поверхности, а второй - в возможности учета взаимного влияния фундаментов и получения картины напряженно-деформированного состояния фундаментов и массива, т.к. она моделирует не только контактные условия, но и грунтовую среду.
Результаты совершенствования забивных свай с развитой боковой поверхностью
Для выбора и совершенствования рационального сечения свай была использована программа "Свая" [12]. В основу программы положены зависимости СНиП и табличные значения удельных сил трения и лобового сопротивления грунтов.
Программой предусмотрен расчет несущей способности свай квадратного, таврового, трехлепесткового, крестообразного, треугольного и кольцевого сечений. Глубина погружения свай принята до 16 м. Возможен расчет свай с погружением в лидерные скважины, с подмывом или вибропогружением. Результаты расчета выводятся на экран в виде графиков следующих зависимостей: - несущая способность сваи - глубина. - удельная несущая способность - глубина. - удельный расход материалов - глубина. - отношение сил трения по боковой поверхности сваи к лобовому сопротивлению - глубина.
Для сравнительного анализа различных типов свай рассчитывались параметры свай погружаемых в распространенные типы грунтов. Основываясь на исходных данных, для совершенствования и алгоритма выбора проведен сравнительный анализ свай различного сечения погружаемых в грунты наиболее распространенных видов. На рис. 2.1 приведены графики зависимости удельного расхода железобетона от глубины Н для свай, погружаемых в глинистые грунты и песчаные (песок средней крупности, средней плотности). Рассмотрены сваи таврового, трехлепесткового, треугольного и квадратного сечений.
Согласно проведенного сравнительного анализа, расход железобетона на 100 кН несущей способности для свай таврового, трехлепесткового и треугольного сечений значительно меньше, чем для свай квадратного сечения. Этот разрыв увеличивается с увеличением индекса текучести.
Зависимость удельного расхода железобетона свай сечением 30x30 см от глубины погружения в глинистые грунты dL=0,5 (сплошная линия) и песчаные (песок средней крупности, средней плотности): 1 - тавровое сечение; 2 - трехлепестковое сечение; 3 — треугольное сечение; 4 — квадратное сечение.
Характер зависимости удельного расхода железобетона от глубины для свай, погружаемых в песчаные грунты крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые такой же, как и при погружении свай в пылевато-глинистые грунты. При этом в мелких или пылеватых песках , удельный расход бетона для свай таврового, трехлепесткового и треугольного сечений при погружении глубже 6 м остается приближенно постоянным.
На рисунках 2.2 и 2.3 приведены зависимости удельного расхода железобетона тавровых свай, погружаемых в пылевато-глинистые и песчаные грунты средней плотности. Зависимость удельного расхода железобетона тавровых свай при d=40, d]=12, d2=12 от глубины погружения в песках средней плотности: 1 -пески крупные; 2 - средней крупности; 3 - пылеватые Согласно графикам, зависимость удельного расхода для свай в пылевато-глинистых грунтах близка к линейной. Для тавровых свай, погружаемых в песках средней плотности, удельный расход с глубиной значительно падает.
С целью установления области рационального использования свай с развитой боковой поверхностью был выполнен анализ соотношения сил сопротивления по боковой поверхности и сопротивления грунта под острием тавровых свай (рис. 2.4 - 2.9). Установлено, что это соотношение увеличивается с глубиной примерно по линейному закону. Для свай в пылевато-глинистых грунтах это соотношение мало зависит от индекса текучести. Зависимость отношения сил трения к сопротивлению под острием свай с d=30 при погружении в пески мелкие средней плотности: 1- тавровое сечение; 2- квадратное сечение: в песках крупных - при глубине более 8 м; в песках средней крупности - при глубине более Змив песках мелких - при глубине более 6 м.
В глинистых грунтах с h=0,4 отношение F/R \ (F- сила трения по боковой поверхности сваи, 7? - лобовое сопротивление под острием сваи) для квадратной сваи достигает при глубине более 14 м; для тавровой и треугольной свай - при глубине более 7м (рис. 2.6). При IL 0,5 отношение F/R \ достигает для квадратных свай при глубине более 12 м; для тавровых и треугольных - при глубине более 6 м (см. рис.2.7). В песках средней плотности отношение F/R 1 достигает для квадратных свай при глубине более 11м; для тавровых и треугольных свай - при глубине более 6 м. В песках мелких средней плотности отношение F/R 1 устанавливается для квадратных свай при глубине более 5 м, для тавровых - при глубине более 3 м (см. рис. 2.8-2.9).
Для тавровых свай определили условия, при которых сила трения определяет несущую способность. Для пылевато-глинистых грунтов при IL=0,5 - глубина более 6 м, при IL=0,4 - глубина более 7 м; при h=0,3 - глубина более 8 м. Выводы
1. Согласно полученным зависимостям удельного расхода железобетона, для рассматриваемых свай от глубины погружения, установлено, что максимальной материалоемкостью обладают сваи квадратного сечения не зависимо от видов грунтов.
2. При этом материалоемкость свай с развитой боковой поверхностью (тавровых, трехлепестковых, треугольных) отличается незначительно.
3. Удельный расход железобетона для свай с развитой боковой поверхностью по сравнению с квадратной при глубине погружения 6 м меньше на 25-26%, при глубине погружения 12 м - 40-42%.
4. Зависимость удельного расхода железобетона для свай таврового сечения в пылевато-глинистых грунтах близка к линейной, при погружении в пески средней плотности с глубиной значительно падает.
5. Установлено, что в пылевато-глинистых грунтах с //,=0,4 отношение F/R 1 (F- сила трения по боковой поверхности сваи, R - лобовое сопротивление под острием сваи), для квадратной сваи при глубине более 14 м\ для тавровой и треугольной сваи - при глубине более 7 м. При //,=0,5 отношение F/R \ достигается для квадратных свай при глубине более 12 м\ для тавровой и треугольной - при глубине более 6 м. В песках средней плотности отношение F/R 1 устанавливается для квадратных свай при глубине более 5 м, для тавровых - при глубине более 3 м.
Общим недостатком свай с развитой боковой поверхностью (трехлепестковых, крестообразных, треугольных), не позволяющем организовать их серийное производства, является металлоемкая бортовая оснастка, нетехнологичность их изготовления. При изготовлении тавровых свай используются в качестве основы типовые блок-формы для стандартных свай по ГОСТ 19844.0-78 (для получения таврового сечения к стенкам типовой блок-формы привариваем металлические пустотелые вкладыши). Для погружения свай с развитой боковой поверхностью забивкой используются те же сваебойные установки, что и для традиционных.
Результаты экспериментальных исследований на статические нагрузки
Первой была испытана типовая восьмиметровая свая квадратного сечения 30x30 см. Предельная нагрузка составила 720 кН. Свая таврового сечения шестиметровой длины сечением 30x30 см показала несущую способность 48 кН.. Расход железобетона у 8-метровой сваи в 1,8 раза больше, чем у 6 метровой сваи, а несущая способность выше на 30 %. Учитывая, что свая таврового сечения меньше типовой по расходу бетона и стали, показатели несущей способности из расчета на единицу расхода материалов будут значительно лучше. Так, у сваи таврового сечения несущая способность, отнесенная к единице объема в 1,2 раза больше, чем у сваи квадратного сечения равной длины. Таким образом, проведенные статические испытания, целью которых было определение несущей способности свай различной формы в условиях одинаковых фунтов, позволили получить данные для сравнения технико-экономических показателей свай. Эти же испытания показали возможность увеличения несущей способности одиночных свай за счет придания ей формы таврового сечения (табл. 3.1).
Проанализировать работу одиночной сваи таврового сечения и свайного фундамента из двух модульных свай таврового сечения возможно исходя из результатов исследований, проведенных на строительной площадке под жилой дом в г. Белгороде по ул. Костюкова, где были выполнены статические испытания. Площадка испытаний сложена характерными для строительных площадок г. Белгорода суглинками серо-коричневыми твердыми - \,6 м; глина серо-зеленая - 9,0 м. Были испытаны: свая квадратного сечения 30x30 см; свая оди 53 ночная таврового сечения; модульная свая из двух составных тавровых свай.
Непосредственно около испытываемых свай в двух точках было выполнено статическое зондирование грунтов до глубины 10,0 м. Зондирование выполнялось с целью уточнения разреза и плотности грунта, залегающего в основании забитых натурных свай. При этом было установлено, что сопротивление нагру-жению зонда глин ИГЭ-3 составляет 3,9 - 4,2 МПа и в интервале глубин 8-10 м практически не меняется, а расчетное сопротивление грунта по боковой по-верхности составляет 4,4 т/м .
Забивка свай проводилась копром со штанговым дизель-молотом С-330, с поверхности дна котлована (отметка 190,6 м). После отдыха (6 суток) они были испытаны осевыми вдавливающими статическими нагрузками согласно ГОСТ 5686-94.
Упором для гидравлических домкратов служила металлическая конструкция, крепившаяся к анкерным сваям, роль которых выполняли буровые шнеки. Испытание свай вертикальными вдавливающими статическими нагрузками производились при помощи гидравлического 100 т домкрата.
Результаты испытаний представлены в виде графиков зависимости перемещений свай от ступеней нагрузок Р, т.е. S=f(P) при условной стабилизации. Результатами испытаний установлено, что при нагрузке на сваю 900 кН сваи №№1, 2 осадка составила 12,2 мм при нагрузке 450 кН на сваю №3 - 19,5 мм; при нагрузке 900 кН на сваю №4 - 7,3 мм. При предельной величине средней осадки фундамента проектируемого жилого дома составляющей 100 мм (СНиП И-2.02.01-83), допустимые осадки свай при испытаниях могут составлять не более 20 мм.
В процессе забивки сваи уплотненное ядро в плоскости острия создает сильное уплотнение окружающего грунта. Вследствие определенных колебаний сваи в процессе забивки в верхней части образуется микрозазор, в тугопла-стичных и полутвердых глинистых грунтах на глубину до 1-1,5 м зазор достигает 1 мм. Уплотненная зона под действием значительных напряжений деформируется и постепенно закрывает микрозазор, вследствие чего увеличиваются радиальные напряжения на контакте «свая-грунт». Установившееся радиальное напряжение по боковой поверхности свай предопределяет величину и характер распределения сил трения по длине сваи при ее загружении. Грунт оседает вместе со сваями, перемещение грунта происходит по наружным граням.
При испытаниях в натурных условиях нами использовались составные тавровые сваи длиной 18 м, которые стыковались из 3-х шестиметровых эле ментов путем сварки закладных деталей, выполненных в виде уголков 100x100 мм в верхней части свай (для нижнего составного элемента сваи) и закладными деталями такого же профиля в нижней части свай (для верхнего составного элемента сваи). Эти испытания проводились на жилом доме по ул. Щорса г. Белгорода. Забивку проводили молотом с массой ударной части 25 кН.
В основу анализа результатов экспериментальных исследований положен принцип определения несущей способности свай при осадках, допускаемых для проектируемого здания [6, 7]. При этом учтено, что осадка свай в составе ленточного свайного фундамента или куста свай значительно (в 5 и более раз) превышает осадку одиночной сваи вследствие взаимовлияния свай. Поэтому исходным принято выражение для расчета осадок одиночных свай, прорезающих слой грунта с модулем сдвига G\ и коэффициентом Пуассона vj и опирающихся на грунт с модулем сдвига ( и коэффициентом Пуассона v2. Грунт, на который опирается свая своим концом, рассматривается как линейно-деформируемое полупространство.
Армирование свай по П варианту - использование сварных стыков в армоцехах для изготовления плоских каркасов. Оголовок свай армировался пятью сетками "Т"- образного вида. Тавровое сечение было принято нами не только как наиболее экономичное и технологичное по сравнению с другими рассмотренными, но и как представляющее собой фигуру, удачно компонующуюся в плане в качестве модульного элемента при проектировании фундаментов, воспринимающих сложные сочетания нагрузок. Примером такой компоновки могут служить фундаменты представленные на рис. 35: а - при действии момента в одной плоскости; б - при действии моментов в двух плоскостях. Для обеспечения возможности увеличения длины свай более 6 метров разработаны рабочие чертежи модульных свай с закладными деталями в виде уголков 100x100 в верхней части свай (для нижнего составного элемента сваи) и закладными деталями такого же профиля в нижней части свай (для верхнего составного элемента сваи). Узел крепления составных элементов модульных свай таврового сечения представлен нарис. 3.17.
Для возможного внедрения тавровых свай в производство необходима разработка нормативной документации, в частности, технических условий и технологического регламента. На традиционные железобетонные сваи имеется ГОСТІ9804.1-79 , но в отличие от требований стандарта, разработанные сваи имеют другую конфигурацию, а, следовательно - армирование.
Исходя из этого, разработаны технические условия ТУ 5817-005-02066339-00 "Сваи модульные забивные Т-образные" с ненапрягаемой продольной арматурой, предназначенные для свайных фундаментов различной конфигурации зданий и сооружений, устраиваемых погружением свай на всю глубину. Технические условия предусматривают изготовление свай длиной 6-14 метров соответственно сечением 0,3-0,4 м. Класс бетона по прочности на сжатие В15, В20. Сваи армируются плоскими каркасами. Технические условия ТУ 5817-005-02066339-00 "Сваи модульные забивные Т-образные" утверждены в установленном порядке и зарегистрированы в Белгородском центре стандартизации, метрологии и сертификации.
Результаты исследования взаимодействия составной сваи с глинистым грунтом и их анализ
Оценка сходимости результатов расчета численными методами является одним из наиболее важных и сложных вопросов, определяющих выбор сетки и точность решения, трудности возникают в первую очередь из-за наличия в расчетных схемах особых точек, в частности угловых точек границ, для обеспечения необходимой и равной по всей расчетной области точности решения практическое применение получил критерий р. куранта: в качестве размеров сетки приближенно берут величину, обратную наибольшему относительному градиенту изменения искомой функции в направлении, определяемом прямой, соединяющей узлы сетки. Области с повышенным градиентом в массиве обычно указать нетрудно, и, в крайнем случае, они могут быть определены после первого расчета. Однако этот критерий является апостериорным, т.е. может быть применен только после получения первого решения. Если его результаты не удовлетворяют критерию, то решение должно быть повторено с другой сеткой, однако решение, даже удовлетворяющее критерию куранта, оставляет открытым вопрос о сходимости получаемых результатов расчета.
В работе оценка сходимости результатов и точности расчета выполнялась эмпирическим путем: сравнением результатов расчета при последовательном уменьшаемом шаге сетки для одних и тех же исходных условий. При этом, верными считались неизменяемые цифры получаемых результатов. Решение проводилось в несколько этапов при различных диаметрах сетки. Полученные значения показали хорошую сходимость результатов расчета, причем уже на первой стадии достигается высокая точность. Наибольшие различия между смещениями в одной точке для I и II этапов наблюдались при их наибольших абсолютных значениях. Поэтому при равной точности больше и величина наибольшего отклонения; точка расположена в зоне наибольшего градиента изменения. При уменьшении размера сетки в 1,5 - 2 раза наибольшее отклонение в соответствующих точках уменьшается в 2,5 -4 раза, т.е. коррелируется с порядком h2.
Таким образом, можно заключить, что решение задачи уже на первом этапе дает довольно точные (с отклонением не более 10%) результаты. Второй этап решения требуется лишь для более детального рассмотрения зон массива непосредственно вблизи сваи или на границах изменения свойств слагающих пород и позволяет обеспечить расчет с погрешностью 3 -4%.
При создании расчётной сетки был использован принцип симметрии. Размеры половины расчётной модели: длина по Х=14м, ширина по Y=7M, высота по Z=12M. Координаты верха и размеры в расчётной области сваи приведены на рис. 4.14. Созданная расчётная сетка, представленная на рис. 4.15, включает 158794 узлов и 107943 десятиузловых объёмных элементов (тетраэдров). Верхняя расчётная область в районе сваи представлена на рис. 4.16.
В соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений" основным расчетом при проектировании фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений, включая и свайные, в большинстве случаев является расчет по второму предельному состоянию.
Однако, при проектировании фундаментов сооружений в сложных инженерно-геологических условиях у проектировщиков возникают трудности в выборе расчетной схемы. Неоднородность основания по глубине, наличие слабых прослоек грунта в основании, включение пустот и т.д. - все это учесть, используя инженерные методы расчета, невозможно. В большинстве случаев, расчет сооружений производят по деформациям. При линейной зависимости между осадкой и нагрузкой прогнозируемые инженерными методами осадки отличаются от натурных в допустимых пределах. СНиП предполагает использовать сваи традиционной формы, в то время как результаты исследований показывают, что удельная несущая способность свай с развитой поверхностью по грунту выше, чем традиционных свай, что предполагает иные методы расчета этих свай.
Сваю моделируем стержнями общего вида, грунтовое основание — связями конечной жесткости, направленными параллельно осям координат. В общем случае участок сваи, находящейся в грунте, рекомендуется разбивать на 20 равных частей [80]. Однако для практических расчетов достаточно выделять 10 элементов, и при этом ошибка в результатах расчетов составляет 3-5% [90].
Для моделирования упругого отпора грунта помещаем в середине каждого участка связь конечной жесткости ("пружину"), направленную перпендикулярно оси сваи (т.е. вдоль X и Y при пространственной задаче).
В стержне действует вертикальная сила N12. В результате действия горизонтального давления один из стержней сваи упруго изгибается и передает горизонтальную нагрузку на смежный стержень. Величина давления прямо пропорциональна горизонтальной нагрузке на сваю и находится в зависимости от упругого сопротивления грунта. На элементе единичной длины величина этой силы Nk.
