Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ теоретических и практических положений струйной цементации грунтов 11
1.1. Разновидности инъекционного закрепления грунтов 11
1.2. Струйная цементация грунтов. Анализ исторического развития 14
1.3. Технологические аспекты струйной цементация грунтов 18
1.4. Прочностные и деформационные характеристики грунтоцементных свай 29
1.5. Анализ применения грунтоцементных свай в составе свайного и плитно-свайного фундамента 37
1.6. Выводы по главе 40
ГЛАВА II. Аналитические и численные основы количественной оценки взаимодействия свай с окружающим грунтом 41
2.1. Современное представление о взаимодействии свайного фундамента с основанием 41
2.2. Методы расчета свай по I предельному состоянию 44
2.3. Методы расчета свай по II предельному состоянию 48
2.4 Методы расчета свайных фундаментов с учетом нелинейных свойств грунта 62
2.5. Численное моделирование геотехнических задач о5
2.6. Выводы по главе 7777 68
ГЛАВА III. Количественная оценка ндс грунта вокруг одиночной грунтоцементной сваи 70
3.1. Общие положения 70
3.2. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи с однородным грунтовым цилиндром з
3.3. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи с неоднородным грунтовым цилиндром 82
3.4. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром, с учетом мобилизации касательных сил трения на боковой поверхности 87
3.5. Выводы по главе 99
ГЛАВА IV. Взаимодействие (ндс) грунтоцементных свай в составе свайного фундамента с плитным ростверком .. 101
4.1. Общие положения. Постановка задачи 101
4.2. Опирание свай на однородное несжимаемое пространство
4.2.1. НДС внутреннего цилиндра (свая) 103
4.2.2. НДС наружного цилиндра (грунт) 105
4.2.3. Упругопластические деформации вокруг сваи при работе
в составе свайного фундамента с плитным ростверком 112
4.3. Опирание свай на однородное сжимаемое основание 117
4.4. Выводы по главе 127
ГЛАВА V. Экспериментальные исследования взаимодействия грунтоцементных свай 129
5.1. Общие положения 129
5.2. Статические испытания одиночной грунтоцементной свай в г. Ярославль.. 129
5.2.1. Характеристика объекта
5.2.3 Методика проведения испытаний 132
5.2.4 Расчет НДС свай по аналитическому методу 133
5.3. Статические испытания одиночной грунтоцементной сваи на объекте в
г. Москва, ул. Нагатинская 138
5.3.1 Характеристика объекта 138
5.3.2 Инженерно-геологические характеристики грунтов 139
5.3.4 Расчет НДС свай по аналитическому методу 142
5.4. Экспериментальные исследования осадки грунтового основания
укрепленного грунтоцементными сваями на опытной площадке в г. Пермь 145
5.4.1. Характеристика площадки 145
5.4.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки
5.4.3 Методика проведения испытаний 146
5.4.4 Расчет НДС и осадок плитно-свайного фундамента по аналитическому методу 147
5.5. Штамповые испытания грунтоцементных свай на опытных площадках 148
в г. Уфа 148
5.5.1. Характеристика опытного участка 148
5.5.2 Инженерно-геологические характеристики грунтов 149
5.5.3 Методика проведения испытаний 149
5.5.4 Расчет НДС и осадок свайного фундамента с плитным ростверком по аналитическому методу 151
5.6. Выводы по главе 153
Основные выводы по диссертации 154
Список литературы
- Струйная цементация грунтов. Анализ исторического развития
- Методы расчета свай по II предельному состоянию
- Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи с однородным грунтовым цилиндром
- НДС внутреннего цилиндра (свая)
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Технология струйной цементации грунтов находит все большее применение в практике строительства. Грунтоцементные сваи в настоящее время используются как ограждающие конструкции котлована, в качестве противофильтрационных завес, усиления фундаментов, а также для закрепления грунтов в основании плитных фундаментов.
К достоинствам данной технологии стоит отнести возможность закрепления почти всего диапазона грунтов, отсутствием динамических воздействий, высокую производительность и ряд других положительных качеств. Однако, несмотря на достаточно широкое применение, актуальным остается вопрос рассмотрения взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком. Применение данного типа свай в настоящее время недостаточно обосновано, как экспериментальными, так и теоретическими исследованиями. В свою очередь в нормативных документах практически отсутствуют какие-либо указания по методам расчета данного типа свай.
Степень разработанности темы исследования
Исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом и характера их работы в виде различных несущих и противо фильтрационных элементов посвящен ряд экспериментальных и теоретических работ. Анализ этих работ указывает на то, что возникает ряд проблем при проектировании грунтоцементных конструкций.
Исследование закономерностей работы и накопление опыта применения новых типов свай, еще не обладает достаточной изученностью и требует дополнительных исследований границ их применения для различных инженерно-геологических условий, а также оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) свай при взаимодействии с окружающим грунтом.
Цели и задачи исследования
Целью данной работы является изучение, развитие и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом, аналитическими и численными методами.
Для достижения поставленной цели был выполнен следующий вид работ:
1. Проведено ознакомление с литературными источниками и составлен обзор литературы по методам оценки геометрических, прочностных и деформационных характеристик грунтоцементных свай. Рассмотрен опыт использования
одиночных грунтоцементных свай и свай в составе свайного фундамента объединенного жестким плитным ростверком, включая методы их расчета.
2. Произведен анализ теоретических основ количественной оценки
взаимодействия свай с окружающим грунтом. Сформулированы методы расчета
свайных фундаментов по группам предельных состояний, а также с учетом
нелинейных свойств грунта.
-
Выполнена постановка и решение задачи о взаимодействии одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом по модели «грунтового основания ограниченных размеров» (грунтовым цилиндром) З.Г. Тер-Мартиросяна. Решение рассматривалось для центрально приложенной нагрузки при однородном и неоднородном (слоистом) грунтовом основании.
-
Предложен метод решения задачи о взаимодействии одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта, обладающим упругопластическими свойствами. Он основан на учете перераспределения нагрузки между боковой поверхностью сваи и ее основанием, обусловленное полной мобилизацией сопротивления сдвигу в верхней части сваи по ее боковой поверхности.
-
Поставлены и решены задачи для группы свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание. Сформулированы аналитические выражения для оценки НДС грунтоцементных свай и окружающего грунта, а также осадок свайного фундамента.
-
Рассмотрена задача по определению зоны уплотнённого грунта вокруг свай обладающих жесткостью приближенной к жесткости грунта (песчаные сваи). Приведенное решение позволяет определить величину критического вертикального и радиального напряжений, радиус пластической зоны и поле напряжений в пластической зоне, возникающей вокруг песчаной сваи.
7. Получено решение задачи о группе свай под плитным фундаментом,
опирающихся на сжимаемое основание. Предложены аналитические зависимости
для оценки НДС в пределах длины условного фундамента и его осадок.
8. Выполнено сопоставление полученных аналитических решений с
результатами численных решений с помощью программного комплекса Plaxis, а
также натурных испытаний грунтоцементных свай.
Научная новизна работы
1. Предложен новый метод решения задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы грунта ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай. Данный метод отличается от существующих тем, что позволяет произвести оценку деформаций и усилий, возникающих в свае, как для однородного основания, так и для неоднородного.
2. Предложен новый инженерный метод расчета взаимодействия одиночной
сваи конечной жесткости с массивом грунта обладающим упругопластическими
свойствами. Он позволяет учесть влияние перераспределения нагрузки между
боковой поверхностью сваи и ее основанием при нагружении. Выполнен анализ
этой модели на основе решения задач аналитическими и численными методами.
-
На основании модифицированного решения задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и внутренним радиальным давлением, определены аналитические зависимости для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание. Подтверждено, что учет жесткости грунтоцементных свай приводит к существенному перераспределению усилий между сваей и грунтом.
-
Предложен метод расчета висячих грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на сжимаемое основание. Он позволяет выполнить оценку НДС грунтоцементной сваи и окружающего грунта в пределах длины условного фундамента. Представленная модель расчета также позволяет оценить деформации и приведенные характеристики деформируемости условного фундамента.
Теоретическая и практическая значимость работы
Проведенная научно-исследовательская работа позволила разработать новые принципы и методы расчета свай выполненных по струйной технологии. Даны решения с использованием учета сжимаемости ствола сваи, предложена модификация решения Лямэ, показан характер распределения напряжений между одиночной сваей и грунтом, существенно зависящее от соотношения их жесткостей, а также в составе свайного фундамента объединенного плитным ростверком.
Предложенные методы оценки взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом позволяют обеспечить научно-теоретическое обоснование возможности применения данных свай и могут быть использованы для проектирования реальных объектов.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты количественной оценки взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с однородным и неоднородным грунтовым цилиндром аналитическими и численными методами.
-
Постановка и решение задачи по взаимодействию одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром с учетом мобилизации сил трения на боковой поверхности сваи.
-
Результаты количественной оценки НДС группы свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание, полученные на основе нового алгоритма расчета.
-
Постановка и решение задач по взаимодействию группы свай под плитным фундаментом, опирающимся на сжимаемое основание, на основании новых аналитических зависимостей, принципов расчета и их анализ.
-
Результаты экспериментальных исследований одиночной длинной свай и группы свай под плитным ростверком и их анализ. Сравнение их с аналитическими и численными методами.
Внедрение результатов исследований
Результаты исследований внедрены на реальных объектах строительства и при составлении нормативного документа «Рекомендации по проектированию и расчету оснований плитных фундаментов с применением грунтоцементных колонн», выпущенные МГСУ в 2011 г., а также были реализованы в программном комплексе GeoPlate.
Достоверность результатов
Достоверность результатов исследований заключается в том, что они основываются на применении основных законов и положений механики грунтов, и строительной механики, а также на сопоставлении полученных результатов с экспериментальными исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом.
Личный вклад соискателя в полученных результатах изложенных в диссертации, заключается в:
- решении задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной
сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы грунта
ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай;
- разработке нового инженерного метода расчета взаимодействия
одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта ограниченных размеров,
при мобилизации сил трения на ее боковой поверхности;
- решении задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и
внутренним радиальным давлением, определении аналитических зависимостей
для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным
фундаментом, опирающихся на твердое основание;
участие в проведении экспериментальных работ исследования взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом.
Апробация результатов
Основные положения работы обсуждались: на XIV Международной конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 27-29 апреля 2011 г.; на конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» 19-21 октября 2011 г.; на XV Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых
«Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 25-27 апреля 2012 г.
Публикации
Основные результаты диссертации отражены в 7-ми печатных работах, 4 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Структура
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 128 наименований. Общий объем диссертации составляет 168 страниц машинописного текста. Работа содержит 57 рисунков и 13 таблиц.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну З.Г. за проявленное внимание и оказанную помощь при выполнении настоящей диссертационной работы, а также техническому директору ООО «СК «ИПС», кандидату технических наук Малинину А.Г. за возможность апробаций теоретических исследований на реальных объектах строительства.
Струйная цементация грунтов. Анализ исторического развития
Струйная цементация является одной из самых молодых технологий цементации. Данная технология отличается от других видов закрепления грунта тем, что она изменяет структуру грунта и преобразует укрепляемый массив грунта. Структура грунта изменяется под воздействием высокого давления струи твердеющего рабочего раствора. Принцип действия струйной цементации основан на применении энергии струи цементного раствора, подаваемой под высоким давлением, которая разрушая естественную структуру грунта, образует новый материал -грунтоцемент. Разрушение и нагнетание раствора может происходить как с одновременным вращением, так и без него. В результате в грунте могут образовываться колонны или «тонкие» панели. [43].
Основой для развития технологии струйной цементации в нашей стране можно считать применение гидромеханизации в горном деле [10,43]. Теоретическими и практическими аспектами применения гидроструй, для создания строительных конструкций, занимались такие ученые, как Абрамович Г.Н., Дмитриев Г.П., Шавловский С.С. и другие [1,23,91].
Как указывает в своей монографии А.Г. Малинин [43] развитие технологии происходило в двух направлениях. Это связано с тем, что энергию струи необходимую для разрушения грунта можно получить в двух случаях: а) Применение максимального давления нагнетания при минимальном расходе раствора; б) Применение большого расхода жидкости при низком давлении нагнетания. Первое направление, развивалось на использовании специальных цементировочных насосов, для максимального давления нагнетания. Такие насосы способны обеспечивать давление в диапазоне 20-100 МПа [10]. Данное направление технологии активно развивалось за рубежом.
Второе направление развивалось на применении цементировочных насосов низкого давления (до 40 МПа) с высоким расходом раствора. Данное направление развивалось в нашей стране.
Одно из первых открытий, относящихся к технологии струйной цементации, было выполнено в Англии в 50 - х годах XX века. Однако реальное практическое развитие данной технологии состоялось впервые в Японии только в середине 70-х годов. В 1965 году ее впервые применили братья Yamakodo [126]. К началу 80-х годов почти одновременно в Японии уже были разработаны две разновидности данной технологии.
После экспериментальных работ на различных площадках, братья Yamakodo впоследствии впервые использовали струйную цементацию для создания тонкой отсечной стены. Во избежание поступления воды, была разработана тонкая панель, которая герметизировала пробелы между разошедшимися шпунтовыми сваями.
Первоначально технология струйной цементации состояла в предварительном размыве грунта водой, при бурении скважины до проектной отметки, а затем заполнение размытого объема инъекционным раствором, под невысоким давлением. Диаметр получившейся конструкции увеличивался в три-четыре раза по сравнению с диаметром бурения [113].
Однако в середине семидесятых годов в Японии возник другая разновидность технологии струйной цементации грунтов, по причине того, что отсечная панель из грунтоцементных колонн не могла создать качественные конструкции, удовлетворяющие необходимым требованиям. Поэтому Nakanishi был предложен другой способ создания ґрунтоцементного массива, с использованием химических и цементных растворов, нагнетаемых под высоким давлением через очень маленькие форсунки (1,2 - 2,0 мм), которые были расположены в нижней части буровой колонны. В данном виде технологии буровая колонна вращалась, создавая уже не тонкие панели, а колонны закрепленного грунта.
Этот вид технологии был первоначально нацелен на улучшение эффективности водонепроницаемости конструкций, разрушая необработанный или частично обработанный грунт, который затем вытеснялся на поверхность для удаления и заменялся жидким цементным раствором.
Следующим этапом развития струйной цементации стало создание Teuro Yahiro из компании Kajima Corporation трехкомпонентной технологии струйной цементации грунтов [113]. Наиболее отличительной чертой этого метода, является одновременное использование трех составляющих: цементного раствора, воздуха и воды, для разрушения и перемешивания грунта с раствором.
Впоследствии трехкомпонентная технология была упрощена, до двухкомпонентной, в которой энергию струи образует цементный раствор в оболочке из воздуха.
В конце 70-х, начале 80-х годов технология струйной цементации была экспортирована в Европу [115] и получила широкое распространение в Англии и Италии, благодаря наличию пригодных инженерно-геологических условий.
В России первые работы по струйной цементации были выполнены «Гидроспецпроектом» в период 1976-82 гг. для устройства вертикальных противофильтрационных завес на гидротехнических сооружениях [24,43,80].
Использование струйной цементации для различных геотехнических задач вначале осуществлялось иностранными компаниями с использованием собственного оборудования. Впоследствии отечественные компании стали применять технологию на иностранном оборудовании, или на оборудовании российского производства с насосами низкого давления.
В 1985 г. компания «Rodio» выполнила усиление фундаментов жилого дома грунтобетонными колоннами, построенного на просадочных грунтах в г. Волгодонске [10]. За период с 1986 по 1988 годы выполнялись работы связанные с закреплением оснований под промышленные и жилые здания и устройству грунтобетонных свай усиления с привлечением фирм «Rodio», «Trevi» и «Bauer». Институтом НИИОСП в 1987 году на японском оборудовании было выполнено устройство завесы из грунтоцементных колонн вокруг опоры моста на р. Сюнь [10].
Методы расчета свай по II предельному состоянию
Вопросам о взаимодействии свай с окружающим грунтом и характере их работы под нагрузкой посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Основные результаты были накоплены при проведении экспериментально-полевых работ, которые затем обобщались в виде теоретических положений взаимодействия свай с окружающим грунтом.
В нашей стране изучению поведения одиночных свай и свайных фундаментов посвящены работы таких ученых, как Бартоломей А.А., Бахолдин Б.В., Готман А.Л., Готман Н.З., Григорян А.А., Голубков В.Н., Далматов Б.И., Девальтовский Е.Э., Дорошкевич Н.М., Егоров К.Е., Знаменский В.В., Курилло СВ., Луга А.А., Тер-Мартиросян З.Г., Ухов СБ., Федоровский В.Г., Цытович Н.А. и многие другие. За рубежом исследованиями работы свайных фундаментов занимались I. Birnbaum, О. Reul, R. Katzenbach, G. Konig, К. Terzagi, H.G. Poulos, J. Hanisch, A. Schmitt, W.F. Van Impe.
Исследования, проведенные многими авторами [30,36,66,124] показали различие в передаче нагрузки на грунт между одиночной сваей и кустом свай. При шаге свай в кусте более 5...6d не происходит влияния напряженного состояния массива грунта вокруг сваи на соседние и наложения зон взаимного смещения грунта, то есть они работают как одиночные.
В свою очередь при снижении шага между осями свай в кусте до 3...4d происходит снижение сил трения на боковой поверхности и возникает явление блокирования межсвайного грунта (свая и грунтовый массив работают как единое целое), а также происходит неравномерное распределение нагрузки между сваями [57].
Проведя исследования взаимодействия группы свай с окружающим грунтом Фадеев А.Б. и Девальтовский Е.Э [76] установили, что при работе сваи в составе фундамента, у нее отмечается снижение участия ствола сваи в процессе передачи нагрузки, а также происходит изменение характера взаимодействия ствола с окружающим грунтом. Значительное взаимодействие ствола сваи с грунтом наблюдается только у острия свай.
При рассмотрении взаимодействия сваи и окружающего грунта необходимо учитывать сжимаемость ствола сваи, а также соотношение между жесткостью сваи и окружающего грунта. Не учитывать влияние сжимаемости сваи возможно при использовании коротких свай, в которых сжатие ствола незначительно и им можно пренебречь, т.е. считать сваю несжимаемой. В тоже время при увеличении длины сваи происходит возрастание доли сжимаемости ствола сваи в общей осадке и изменение характера распределения усилий передаваемых сваей боковой поверхностью и острием. Изучение влияния модуля упругости свай на деформацию и несущую способность свайных фундаментов было проведено в работе Чанг Тоан Тханга [84]. Им было установлено, что деформация сваи за счет сжатия ствола проявляется при любой нагрузке и зависит от ряда параметров (соотношения модулей деформации сваи и грунта, длины и размеров сваи, количества свай в группе).
Таким образом, следует отметить, что для свай с невысокими характеристиками жесткости, влияние сжимаемости ствола на несущую способность и осадку является одним из определяющих факторов.
Исследования [22,25,100], указывают на то, что осадки свайных фундаментов при рабочей нагрузке обычно превышают осадку одиночной сваи. Однако при достижении предельной нагрузки, картина меняется, и осадки одиночных свай лавинообразно нарастают и в конечном итоге превышают осадки свайных фундаментов.
Натурные исследования поведения свайных фундаментов под нагрузкой, проведенные O Neill M.W [112], подтвердили предпосылки о превышении осадок свайной группы над осадкой одиночной сваи, за исключением случаев, когда забивные сваи были установлены в рыхлом песке. Это указывает на то, что эффекты уплотнения при забивке свай в рыхлых грунтах увеличили деформационные характеристики несущего слоя грунта. Таким образом, осадка свайных фундаментов превышает осадку одиночной сваи, кроме случаев связанных с достижением предельной нагрузки и возможного уплотнения рыхлых грунтов при устройстве свай.
При проектировании фундаментов по предельным состояниям первостепенное значение приобретает расчет осадок [4]. Это объясняется тем, что при шаге свай 3...4d фундаменты работают как единый массив и для достижения предельного состояния грунта в уплотнённой зоне под сваями нужны значительно большие нагрузки, чем для достижения предельной осадки. Поэтому несущую способность свайных фундаментов рекомендуется определять исходя из величины предельной осадки.
В связи с уменьшением сил трения по боковой поверхности сваи при шаге свай до 6d и включением в работу низкого ростверка происходит неравномерное распределение нагрузок между сваями. Наибольшее усилие начинают воспринимать угловые сваи, минимальное центрально-нагруженные. Рядовые сваи занимают промежуточное положение.
Бартоломеем А.А. [33] были проведены экспериментальные исследования распределения нагрузки между сваями при их работе в составе фундамента. Из анализа, проведенных испытаний было установлено, что при испытании одиночной сваи, ее несущая способность значительно выше, чем при испытании в составе кустового фундамента.
По результатам экспериментальных работ других исследователей [5,19,25, 94], также было получено неравномерное распределение нагрузки между сваями в группе, а полученные результаты хорошо согласуются между собой и отличаются друг от друга только количественной оценкой степени этой неравномерности.
Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи с однородным грунтовым цилиндром
Увеличение объемов строительства, а также вынужденная необходимость использования площадок, со сложными инженерно-геологическими условиями привели к внедрению в практику строительства новых типов свай [46]. К середине 90-х годов основной разновидностью свайных фундаментов являлись фундаменты из забивных свай. Однако их применение в условиях существующей застройки достаточно ограниченно. Частичный отказ от метода забивки привел к развитию и распространению новых технологий устройства свай в грунте. При этом наряду с технологиями свай, имеющими высокую жесткость („„„ » Егруш ); находят применение сваи, обладающие более высокой сжимаемостью (ясм„ Е ). К разновидностям таких свай, относятся сваи, выполненные по технологии струйной цементации грунтов.
Исследование закономерностей работы и накопление опыта применения новых типов свай, позволяет использовать их для получения фундаментов, обладающих достаточной несущей способностью и эффективных с экономической точки зрения. Однако в отличие от традиционных способов устройства, использование новых видов свай еще не обладает достаточной изученностью и требует дополнительных исследований границ их применения для различных инженерно-геологических условий, а также оценке НДС окружающего грунта. В связи с этим необходимо провести оценку НДС грунтового массива вмещающего грунтоцементные сваи при их работе под нагрузкой, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком. Анализ закономерностей работы грунтоцементных свай необходимо провести, как для линейно-упругой модели работы грунта, так и для грунта обладающего нелинейными свойствами.
Как известно, при взаимодействии длинных сваи с окружающим грунтом возникает сложное НДС, определяющее несущую способность и осадку сваи [68,69]. Согласно множеству исследований, усилие приложенное к оголовку длинной жесткой сваи распределяется таким образом, что боковая поверхность воспринимает до 80% от этого усилия, а основанием воспринимает всего 20%. Учет сжимаемости ствола оказывает влияние на распределение усилий между боковой поверхностью и нижним концом сваи, таким образом, что на нижний конец длиной сваи может приходиться еще меньшее усилие. Определение усилий и осадки одиночной грунтоцементной сваи является важной задачей при необходимости использования данной сваи для усиления ленточных и столбчатых фундаментов, опор различных сооружений и др.
Оценка НДС одиночной сваи является важным этапом при рассмотрении вопроса взаимодействия свайного фундамента с грунтовым основанием. Исследованию данного вопроса посвящено множество экспериментальных и теоретических работ. Основными задачами при оценке взаимодействия сваи с окружающим массивом является определение усилий возникающих на ее боковой поверхности и под острием, а также рассмотрение осадки сваи.
Для решения рассматриваемых ниже задач необходимо сделать определенные допущения, которые позволят с достаточной для инженерных расчетов точностью сделать оценку НДС грунтоцементной сваи, взаимодействующей с окружающим грунтом. Следовательно, выводы, сделанные при решений поставленных ниже задач, справедливы в рамках этих допущений и предположений.
При рассмотрении вопроса взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом поместим одиночную сваю в однородное пространство. Традиционным методом решения такой задачи является использование решения Миндлина о силе приложенной внутри полупространства. Данный подход имеет определенные недостатки, т.к. многочисленные экспериментальные исследования показывают, что работа свай как одиночных начинается при шаге свай больше 6d и для решения задачи можно использовать не полупространство, а массив грунта ограниченных размеров [72]. Данный массив должен соответствовать работе одиночной сваи в грунте. Поэтому для определения НДС массива грунта взаимодействующего с одиночной сваей, воспользуемся геомеханической моделью Тер-Мартиросяна З.Г. «Модель грунта ограниченного размера».
В данной модели рассматривается взаимодействие сваи длиной /, диаметром 1а расположенной внутри линейно-деформируемого массива грунта цилиндрической формы диаметром 2Ъ и длиной L I (рис 3.1). Величина передаваемого усилия на сваю равняется N.
НДС внутреннего цилиндра (свая)
Приведенное решение позволяет определить величину критического радиального и осевого напряжения, а также радиус пластической зоны возникающей вокруг песчаной сваи. Определение данных величин позволяет минимизировать их влияние на взаимодействие свайного фундамента с основанием.
Задачи укрепления грунтов в основании плитных фундаментов очень часто приходится проводить на площадках с достаточно глубоким заложением малосжимаемых грунтов. Применение свай с заделкой в данных грунтах не эффективное и достаточно дорогостоящее решение. В таких случаях приходится выполнять устройство свай, прорезающих толщу слабых грунтов и упирающихся в относительно более плотные грунты. В таком варианте сваи работают как висячие. При этом взаимодействие висячих свай, объединенных плитным ростверком с окружающим грунтом отличается от взаимодействия свай опирающихся на малосжимаемое основание. Анализ различных вариантов решений такой задачи приводит к тому, что наиболее распространенным аналитическим способом решения данной задачи являются методы, основанные на работе свайного фундамента, как единого условного массива. Отличие методов связано с размерами условного фундамента и глубиной приложения нагрузки. Данные решения позволяют провести оценку осадки свайного фундамента в зависимости от внешней нагрузки на ростверк. Однако стоит заметить, что данный метод не позволяет оценить распределение нагрузки между давлением по подошве ростверка, грунтом под ним и сваями. В свою очередь на НДС фундамента также будет оказывать влияние трение по боковой поверхности сваи и ее жесткость, приводящая к осадке продавливания под ее пятой. Оценка НДС позволит определить усилия, возникающие в свае, что в конечном итоге приведет к возможности оптимизации стоимости свайного фундамента с плитным ростверком.
Основываясь на явлении блокирования грунта в межсвайном пространстве при шаге свай до 4 , при которых грунт и свая перемещаются одинаково, для рассмотрения НДС свайного фундамента с плитным ростверком также выделим из него фрагмент ячейки, включающую одну сваю, ростверк и окружающий грунт. Размеры ячейки соответствуют шагу свай в фундаменте. При этом с определенным допущением ячейку будем рассматривать цилиндрической формы (рис. 4.9). Свая в составе ячейки имеет длину /, диаметр 2 а . Массив грунта является линейно-деформируемой средой. Диаметр ячейки составляет 2Ъ , длина L і. Величина передаваемого давления на ростверк на сваю равняется р .
Так как рассматриваются грунтоцементные сваи, то в решении задачи будем учитывать, что свая обладает сжимаемостью („ кЕгр), при этом жесткость ростверка намного больше жесткости сваи (Ерош №рк Есаа ). Расчетная схема задачи представлена на рисунке 4.10.
Расчетную схему взаимодействия сваи в составе фундамента будем описывать, основываясь на схеме взаимодействия условного фундамента, с нижележащим массивом грунта. При этом необходимо определить усилия, возникающие в свае и грунте в пределах длины условного фундамента, его осадку, а также деформирование грунта под подошвой условного фундамента.
Предложенное ниже аналитическое решение позволит учитывать трение, возникающее по боковой поверхности сваи и напряжения под плитным ростверком для сваи и грунта. Соответственно неизвестными величинами в данной расчетной схеме являются осадка грунтоцементной сваи s„{z), напряжения в оголовке р2 и пяте сваи ръ, а также касательные напряжения на боковой поверхности сваи га(г). Известно, что при расчете фундамента по схеме условного фундамента его общая осадка будет состоять из осадки грунтов под его подошвой, осадки продавливания свай и осадки сжатия ствола свай. Поэтому в предложенном аналитическом решении общая осадка фундамента будет также содержать данные компоненты деформаций.
Для решения рассматриваемой задачи поместим начало координат в оголовке сваи. Выделим в свае элементарный слой толщиной dz и рассмотрим условие равновесия между нормальными напряжением в стволе сваи и касательными
