Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1 Анализ существующих исследований в области определения несущей способности свай при действии выдергивающих и вдавливающих нагрузок 12
1.1 Анализ существующих методик расчёта анкеров 12
1.2 Анализ существующих способов определения сил сопротивления, касательных сил трения по боковой поверхности свай и их распределения по глубине 23
Выводы по разделу 1 36
РАЗДЕЛ 2 Исследование несущей способности по боковой поверхности свай на действие выдергивающих и вдавливающих нагрузок 37
2.1 Полевые испытания буроинъекционных свай большого диаметра 37
2.1.1 Методика, технология и оборудование 37
2.1.2 Анализ полученных данных 44
2.2 Лабораторные исследования 47
2.2.1 Способ определения сил сопротивления по боковой поверхности сваи в состоянии покоя 47
2.2.2 Материалы и оборудование 48
2.2.3 Методика проведения эксперимента по определению сил сопротивления грунта в состоянии покоя 54
2.2.4 Обработка результатов эксперимента по определению сил сопротивления грунта в состоянии покоя 57
2.2.5 Методика определения сил сопротивления грунта по боковой поверхности модельной сваи при действии вдавливающей и выдергивающей нагрузки 61
2.2.6 Обработка результатов эксперимента 65
Выводы по разделу 2 67
РАЗДЕЛ 3 Разработка методики определения сил сопротивления по боковой поверхности буровых свай с учетом направления вертикальной нагрузки 69
3.1 Метод аналитического определения глубины заложения сваи при заданной выдёргивающей нагрузке 69
3.2 Метод определения несущей способности по боковой поверхности свай при действии выдергивающих и вдавливающих нагрузок 77
3.3 Разработка методики определения несущей способности по боковой поверхности свай с учетом направления вертикальной нагрузки 78
3.3.1 Решение неполного кубического уравнения по формуле Кардано 83
Выводы по разделу 3 89
РАЗДЕЛ 4 Моделирование взаимодействия свайного анкера с грунтовим основанием и апробация предложенной методики 90
4.1 Численное моделирование полевого эксперимента с использованием программного комплекса «Plaxis 3D Foundation» 90
4.2 Определение несущей способности по боковой поверхности буроинъекционных свай в глинистых и песчаных водонасыщенных грунтах
4.2.1 Расчет несущей способности при действии вдавливающих и выдергивающих нагрузок по методике ДБН В.2.1-10-2009. Зміна №1 96
4.2.2 Определение несущей способности при действии вдавливающих и выдергивающих нагрузок по предлагаемой методике 99
4.3 Определение несущей способности по боковой поверхности буроинъекционных свай в песчаных водонасыщенных грунтах 104
4.3.1 На действие выдергивающей нагрузки 104
4.3.2 Расчет несущей способности по методике ДБН В.2.1-10-2009. Зміна №1 105
4.3.3 Расчет несущей способности по предлагаемой методике 107
4.3.4 Расчет несущей способности за счет сил сопротивления на боковой поверхности по методике ДБН В.2.1-10-2009. Зміна №1 115
4.3.5 Расчет несущей способности за счет сил сопротивления на боковой поверхности по предлагаемой методике 117
4.4 Сравнение полученных значений 123
Выводы по разделу 4 126
Общие выводы 128
Список использованных источников
- Анализ существующих способов определения сил сопротивления, касательных сил трения по боковой поверхности свай и их распределения по глубине
- Способ определения сил сопротивления по боковой поверхности сваи в состоянии покоя
- Разработка методики определения несущей способности по боковой поверхности свай с учетом направления вертикальной нагрузки
- Определение несущей способности по боковой поверхности буроинъекционных свай в песчаных водонасыщенных грунтах
Анализ существующих способов определения сил сопротивления, касательных сил трения по боковой поверхности свай и их распределения по глубине
Так как общими признаками анкерных корней и свайных анкеров является инъекционная технология их устройства с формированием цилиндрической формы по длине, то можно предположить развитие равных сил сопротивления по их боковой поверхности при действии выдергивающих нагрузок.
В существующей литературе широко представлены исследования работы именно буроинъекционных анкеров малых диаметров. Так эмпирические выражения предельных выдёргивающих усилий для буроинъекционных анкеров приводят Г.Р. Йорг [129], Г. Крамер [130], Г.С. Литтлджон [132, 133], Р. Моллер и С. Видинг [137], Г. Остермайер [140], К.Е. Робинсон [144], Б.С. Томов [47], Т.Х. Ханна [126], Шнебел [125], Р.Г. Бассет [117], К. Клайн [50]. Большой вклад в исследование работы инъекционных анкеров сделали советские ученые М.И. Смородинов [96], Г.Г. Болдырев [15, 16, 17], М.В. Малышев [15].
Теоретические зависимости для буроинъекционных анкеров и свай в различных грунтах дают Л. Гобст [126, 127], Э.Л. Малоян [83], В.А. Мишаков и В.Ф. Раюк [23, 67], Д.Ю. Соболевский [98, 99, 100], М.А. Соммервилл [146], которые обычно учитывают напряженное состояние грунта вокруг анкера или сваи с соответствующими допущениями наличия пластических зон при исчерпании несущей способности основания.
Многие авторы в своих исследованиях, как правило, принимают распределение напряжений по длине ствола равномерным, что не согласуется с опытными данными [71]. В некоторых формулах не учтены даже размеры диаметров и корней анкеров, что является определяющим в определении несущей способности по грунту. Имеется также различная оценка влияния давления инъекции на параметры сопротивляемости грунтов сдвигу.
Влияние нагнетании цементного раствора в скважины на изменчивость свойств грунта в контактном слое расчётными зависимостями либо не принимаются во внимание вообще, либо, как и в случае самозабуриваемых анкеров, учитывается лишь косвенно через обобщенные показатели сопротивлений [121]. Д.Ю. Соболевский [98] принимает условие, что при предельной нагрузке на анкер действует пассивный отпор песка по теории Кулона. Это возможно только при выпоре грунта и не отражает реального взаимодействия с ним анкерного корня. Дилатантный распор учитывается в виде повышающей поправки на величину угла внутреннего трения и вводятся рекомендуемые зарубежными авторами корректирующие коэффициенты условий работы и надёжности. При этом получается более чем двукратные занижения значений расчётной несущей способности оснований анкерных корней по грунту. В.А. Мишаков и В.Ф. Раюк при определении реактивного давления грунта на анкерный корень решают упругопластическую задачу о расширении цилиндрической скважины, к контуру которой приложено равномерное давление инъекции [23, 67].
Теоретическое определение зоны уплотнения и изменения удельного веса грунта вокруг расширяющейся скважины при решении упругопластической задачи приводит Й. Мечи [135]. Он же [134] при определении несущей способности оснований буроинъекционных анкеров учитывает силы сопротивления по боковой поверхности корня только от обжатия за счёт собственного веса грунта.
Исследованиями трения по боковой поверхности тела инъекционного анкера и распределения его с глубиной исследовал Х. Остермайер [141]. Испытания он проводил в несвязных грунтах – песках разного гранулометрического состава и различной плотности, и в связных грунтах. При испытаниях в несвязных грунтах Х. Остермайером была установлена наиболее эффективная длина несущей части анкера, равная 6-7 м. Также им отмечено, что с увеличением плотности грунта увеличивается и его несущая способность, а с возрастанием диаметра тела инъецирования трение по его боковой поверхности уменьшается. Такая же тенденция по снижению сопротивления грунта по боковой поверхности зонда наблюдается при использовании методики проведения испытаний ударно вращательным зондированием [60]. Однако не понятно, почему с увеличением контактной площади вследствие увеличения диаметра силы трения по боковой поверхности уменьшаются. В связных грунтах Х. Остермайером отмечается, что несущая способность анкера возрастает пропорционально диаметру инъецированного тела, а уменьшение пластичности грунта вызывает возрастание трения по боковой поверхности инъецированного тела.
Ниже рассмотрены отечественные и зарубежные методики расчета несущей способности анкеров и свай при действии выдергивающих нагрузок, применяемые в практике строительства. Методика «приведенного диаметра» [52].
В работе [52] В.В. Конюшковым для буроинъекционных свай, работающих на вдавливающие нагрузки предлагается ввести понятие приведенного диаметра сваи, который можно определить исходя из объема бетонной смеси, поданной в скважину. Несущую способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную вдавливающую нагрузку предлагается определять по формуле (1.1): Fd =yc v ж d rcR-R T + x-d rcrrbi-fi (1.1) где yc - коэффициент условий работы сваи в грунте равный ус=\; ycR - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи равный уся=1; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемый в соответствии с таблицей Н.3.2 [36]; dnp - приведенный диаметр сваи; ycf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности, принятый равным 0,7 - для слоёв суглинков и песков и равным 0,6 - для слоя глины; fi - расчётное сопротивление і-го слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи; hi - толщина і-го слоя грунта, касательного с боковой поверхностью сваи. Несущую способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную выдёргивающую нагрузку можно определить по формуле (1.2): рлл=Ус-л- dnp Y, Ycf tfi , (1.2) где yc - коэффициент условий работы сваи в грунте равный ус=0,8; dnp, ycf, fi, Ы - то же что и в формуле (1.1). Следует отметить, что невозможно однозначно определить объем бетонной смеси, поданной в скважину, что влияет на значение приведенного диаметра dnp. Методика ДБН В.2.1-10-2009. Зміна №1 [36]. Расчёт несущей способности сваи при действии выдёргивающей нагрузки выполняется по формуле (1.3): Fdu = yc-uYjycfi-frhi, (1.3) І=1 где ус - коэффициент условий работы сваи в грунте, принятый равным 0,8; и - периметр поперечного сечения ствола сваи; yCf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности, принятый равным 0,7 - для слоёв суглинков и песков и равным 0,6 - для слоя глины; fi - расчётное сопротивление і-го слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи; hi - толщина і-го слоя грунта, касательного с боковой поверхностью сваи. При определении сопротивления грунта по боковой поверхности ствола сваи-анкера fi применяется как табличный метод, так и формула определения сопротивления грунта по боковой поверхности для висячих забивных свай (1.4):
Способ определения сил сопротивления по боковой поверхности сваи в состоянии покоя
Согласно отчета об инженерно-геологических изысканиях к рабочему проекту реконструкции стадиона "Металлист", составленного ООО "ГЕО-ЛЕНД-ЛИМИТЕД", декабрь 2007 г. [75] и на основании технического отчета об инженерно-геологических изысканиях на участке реконструкции стадиона "Металлист", составленного УкрНИИНТИЗом (ГИИНТИЗ), декабрь 1989г. [76], площадка строительства представлена в виде обводненных песчаных, суглинистых и глинистых грунтов с физико-механическими характеристиками, представленными в табл. 2.1.
Слой № 6 принадлежит к глинам палеогенового возраста, имеет значение числа пластичности равное 0,16, которое по нормативным документам [43] соответствует полутвердым суглинкам.
Испытания проводились с помощью стенда анкерного СА-600. Нагружение опытной сваи №1 выполнялось при помощи гидравлических домкратов, усилие от которых воспринималось винтовыми металлическими анкерными сваями. При испытаниях выдергивающими нагрузками сваи №2 стенд устанавливался в проектное положение таким образом, чтобы передавать нагрузку домкратами через хомуты, приваренные к арматурным выпускам опытной сваи. Для передачи на сваю вертикальной нагрузки использовались четыре гидродомкрата грузоподъемностью 1000кН каждый. Давление в домкратах создавалось насосной станцией и контролировалось манометром. Арматурные стержни для измерения вертикальных перемещений сваи приваривались к выпускам арматурного каркаса сваи. Осадки (перемещение) сваи измерялись при помощи прогибомеров типа 6ПАО с ценой деления 0,01мм, располагаемых симметрично относительно опытной сваи (рис. 2.2). Аналогичный стенд в период проведения испытаний буроинъекционной сваи при действии выдергивающей нагрузки на другом объекте показан на рис. 2.3. Рис. 2.2. Измерительная система: 1 – прогибомеры типа 6ПАО с ценой деления 0,01мм; 2 – реперная система; 3 – крепежные струбцины; 4 – груз-противовес на прогибомерах; 5 – стальные стержни, приваренные к выпускам арматурного каркаса
Положение стенда в процессе испытаний: 1 – стенд анкерный СА-600; 2 – гидродомкраты; 3 – насосные станции с манометрами; 4 – реперная система с измерительными приборами; 5 – опытная свая
Полевые испытания были проведены ХНУСА согласно Технического задания генпроектировщика (Харьковский ПромстройНИИпроект) и предварительно разработанной программой испытаний в соответствии с [41].
Для опытной сваи №1 (испытание вдавливающей нагрузкой), нагрузка прикладывалась ступенями по 240,0 кН. На каждой ступени нагружения натурной сваи снимались отсчеты по двум приборам для измерения деформаций в такой последовательности: нулевой отсчет – перед нагружением сваи, первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем последовательно три отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).
Так как в основании опытной сваи залегают глины твердые, то за критерий условной стабилизации деформаций при испытании натурной сваей принималась осадка сваи на каждой ступени нагружения, не превышающая 0,1 мм за последние 60 мин наблюдений. За критерий несущей способности принята нагрузка, вызвавшая непрерывный рост перемещений сваи [42]. Свая №1 испытана до предельной вдавливающей нагрузки 2640 кН. На рис. 2.4 графически представлен результат «поведения» сваи, испытанной на вдавливающую нагрузку.
График зависимости вертикального перемещения S сваи от вдавливающей нагрузки Fd (ОС №1) Для опытной сваи №2 (испытание выдергивающими нагрузками), нагрузка прикладывалась ступенями по 60,0 кН. На каждой ступени нагружения натурной сваи снимались отсчеты по двум приборам для измерения деформаций в такой последовательности: нулевой отсчет – перед нагружением сваи; первый отсчет – сразу после приложения нагрузки; затем последовательно три отсчета с интервалом 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации деформации (затухания перемещения).
За критерий условной стабилизации деформации принималась скорость выхода сваи из грунта на каждой ступени приложения выдергивающей нагрузки не более 0,1 мм за последние 2 часа наблюдений. За критерий несущей способности принята нагрузка, вызвавшая непрерывный рост перемещений сваи [42]. Для сваи №2 опытная выдергивающая нагрузка доведена до 1020 кН. На рис. 2.5 графически представлен результат «поведения» сваи, испытанной на выдергивающую нагрузку. График зависимости вертикального перемещения u сваи от выдергивающей нагрузки Fdu (ОС №2) На основании ДСТУ [42] несущая способность буроинъекционной сваи длиной «12,0 м, диаметром 0630 мм при действии вдавливающих нагрузок принята равной Fj=2640 кН. При действии выдергивающих нагрузок -Fdu=\020 кН
Так как при выдёргивающих нагрузках свая «работает» только за счёт сил сопротивления по боковой поверхности, а при вдавливающих нагрузках имеет место и сопротивление грунта под нижним концом сваи, то согласно рекомендаций [80] вычитанием (рис. 2.6) определяли силу сопротивления грунта под нижним концом сваи Рпод при равных перемещениях, что допускают нормы вне зависимости от направления приложения нагрузки [36].
Разработка методики определения несущей способности по боковой поверхности свай с учетом направления вертикальной нагрузки
Таким образом, получены зависимости, позволяющие задавшись только величиной действующей выдёргивающей нагрузки и диаметром сваи вычислить глубину заложения буровых сваи, как в однослойном, так и в многослойном основании. Следует отметить, что такой аналитический подход не расходится с принципами определения несущей способности свай по действующим нормативными документам, а собственный вес сваи идет в запас.
При необходимости вычисления глубины заложения буровых сваи при действии вдавливающих нагрузок предлагается использовать методику профессора И.Я. Лучковского [64].
На основании проведенного лоткового эксперимента по выявлению характера распределения по длине многосекционной модельной сваи сил сопротивления песчаного грунта по боковой поверхности в состоянии покоя То и анализа влияния действия вдавливающей и выдергивающей нагрузок на изменение несущей способности песчаного грунта по боковой поверхности установлено, что соотношение значений несущих способностей при вдавливании и выдергивании находится в пределах 2,2 Fd,/FdU,f 2,9 в зависимости от соотношений длины сваи к ее диаметру L/d.
Поэтому, предлагается метод, который основывается на дифференцированном подходе к определению несущей способности по боковой поверхности свай, технология производства которых позволяет рассматривать сдвиг вдоль ствола сваи по схеме «грунт по грунту» (буровые, набивные и др.): - определяются суммарные силы сопротивления вдоль ствола сваи в состоянии покоя То в зависимости от напряженного состояния околосвайного массива и физико-механических характеристик (у, v, ср и с), слагающих его слоев (здесь под «состоянием покоя» понимается состояние без учета вертикальной нагрузки); - определяется дополнительное усилие обжатия Tdu при действии вертикального выдергивающего усиля; - определяется несущая способность по боковой поверхности сваи при действии выдергивающих F /или вдавливающих Fd,f нагрузок.
Разработка методики определения несущей способности по боковой поверхности свай с учетом направления вертикальной нагрузки
Суммарная сила сопротивления в состоянии покоя Т0 определяется в соответствии с предложенной расчетной схемой (рис. 3.5) и равна: T0=u-Y,foyhi, (3.11) где и - периметр поперечного сечения ствола сваи і-го слоя грунта, взаимодействующего с боковой поверхностью сваи, м; h - толщина і-го слоя грунта, взаимодействующего с боковой поверхностью сваи, м. Пласты грунта следует разделять на однородные слои толщиной h 2м; foj - расчётное сопротивление і-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кН/м2, в состоянии покоя, которое определяется по формуле (3.12): f0. = (azgi + q) kzgi 4,,. tg pt +kc-ct, (3.12) где kzgJ - коэффициент затухания напряжений от собственного веса грунта azg,i=yrzi, кН/м2, околосвайного массива в состоянии покоя (табл. 3.3, рис. 3.6), зависящий от относительной глубины z/d рассматриваемого і-го слоя; ji - расчетное значение объемного веса грунта і-го слоя, кН/м3 (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды); q - сплошная равномерно распределенная нагрузка в уровне головы сваи, например, от вышележащего грунта и др., кН/м2; Лп,. = коэффициент бокового давления грунта в середине і-го слоя; ,1 l-vi vi - коэффициент Пуассона грунта в середине і-го слоя; fi - угол внутреннего трения грунта і-го расчётного слоя грунтового основания, град; СІ - сцепление грунта і-го слоя, ; кс - коэффициент, учитывающий уменьшение сцепления с грунта в результате сдвига и назначаемый в зависимости от консистенции грунта (табл. 3.4) [30, 98]. FL – уровень поверхности грунта у головы сваи; WL – уровень подземных вод. Рис. 3.5. Расчетная схема к определению суммарной силы сопротивления T0 в состоянии покоя
Следует отметить, что коэффициент kzg,i получен на основании лабораторных исследований в разделе 2, который учитывает напряженное состояние околосвайного массива грунта в состоянии покоя. Так как в лабораторных условиях исследовался характер затухания напряжений до относительной глубины z/d 21,7, то для больших значений z/d зависимость принята согласно решения В.Г. Березанцева [30] для осесимметричной задачи взаимодействия круглого в плане вертикального сооружения с сыпучей средой в состоянии предельного равновесия.
Определение несущей способности по боковой поверхности буроинъекционных свай в песчаных водонасыщенных грунтах
На площадке строительства жилого дома №7 для испытаний статическими вдавливающими нагрузками были подготовлены две буроинъекционные сваи длинной Ь=20м и 0620мм [40]. Испытание свай проводилось с уровня дна котлована глубиной 3,5м (рис. 4.6). Основные физико-механические свойства грунтов строительной площадки представлены в табл. 4.7. Расчетная схема для определения расчетных сопротивлений на боковой поверхности данных свай fi по методике [36] представлена на рисунке 4.11. Расчетная схема для определения расчетных сопротивлений на боковой поверхности свай fi длинной L=20м по нормативной методике [36]
На основании установленного нормативного соотношения несущих способностей за счет сил сопротивления по боковой поверхности f при вдавливании и выдергивании равном Fd,f /Fdu=1,25, воспользуемся формулой (4.1) для определения несущей способности буроинъекционной сваи, которая работает на выдергивающие нагрузки, и применим её для определения несущей способности за счет сил сопротивления по боковой поверхности буроинъекционной сваи, которая работает на вдавливающие нагрузки.
Руководствуясь примечаниями 2 и 3 к табл. Н.2.1 [36], а так же 1 и 2 к табл. Н.2.2 [36] и расчетной схемой (рис. 4.11) определим значения расчетных сопротивлений каждого из слоев грунта на боковой поверхности ствола сваи. Полученные данные сведены в табл. 4.8.
Расчетные значения для определения несущей способности по боковой поверхности рассматриваемых буроинъекционных сваи длинной L=20м по методике ДБН В.2.1-10-2009. Зміна №1 [36] Номеррасчетногослоя Наименование грунта Толщина i-гослоя грунта,касательного сбоковойповерхностьюсваи hi, м Средняя глубинарасположенияслоя грунта zi, м Расчетныесопротивле-нияна боковойповерхностисвай fi, кН/м2
Полученные значения расчетных сопротивлений на боковой поверхности свай fi и значения толщин слоев грунта, касательных с боковой поверхностью сваи hi, подставляем в формулу 4.1, учитывая, что Fd,f /Fdu=1,25.
Расчет несущей способности за счет сил сопротивления на боковой поверхности по предлагаемой методике
На основании предложенной нами методики в соответствии с расчетной схемой (рис. 4.12) сначала определим суммарную силу сопротивления вдоль ствола сваи в состоянии покоя T0.
На основании физико-механических характеристик массива грунта (табл. 4.8, рис. 4.12), с учетом коэффициента затухания напряжений от собственного веса грунта околосвайного массива в состоянии покоя kzg (табл. 3.3 или график рис. 3.6), руководствуясь табл. 3.4, по формуле 3.12 (см. Раздел 3) определим расчетное сопротивление каждого слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи в состоянии покоя:
Все расчетные значения для определения суммарной силы сопротивления в состоянии покоя То, сведены в таблице 4.9
Используя полученные значения, приведенные в табл. 4.9, определим суммарную силу сопротивления вдоль ствола сваи в состоянии покоя Т0 по формуле (3.11): T0=u-Y,fo,i hi=1 95 (1 9-l,2 + 3,8-0,4 + 3,6-0,9 + 7,2-l,0 + 8,7-2,0 + + 10,4 -2 +11,3 -2 +12,1-2 +12,7-2 +13,2 -2 +13,4 -2 +14,9 -0,5 + 15,3 -2) = = 1,98-215,9 = 421,0кН. Далее на основании расчетной схемы (рис. 3.7) определим дополнительную силу обжатия Tdu от действия выдергивающей равномерно распределенной нагрузки То/1. Определим величину /, м, которая является расчетной длиной принимаемой при учете эффекта обжатия сваи при действии выдергивающих нагрузок, решив уравнение I3 - L-l2 +С = 0, где Ь=20 м - длина сваи, а С = = 608,0м 3 . Для удобства воспользуемся графиками зависимости расчетной длины / от величины С (рис.3.9 Раздел 3). На основании графиков для рассматриваемой длины сваи Ь=20м значение величины С-608 соответствует значению расчетной длины / 6,8м.
На основании проведенных аналитических расчетов несущих способностей буроинъекционных свай с различными геометрическими характеристиками в сложных грунтовых условиях, при действии выдергивающих и вдавливающих вертикальных нагрузок по методике, предложенной в современных нормах [36], и предложенной нами методике, полученные данные были сравнены с результатами испытаний натурных свай статическими вертикальными нагрузками, табл.4.10.
На основании полученных данных (табл. 4.11) возможно проанализировать пригодность предложенных нами графиков (рис. 3.11 Раздела 3) для предварительной оценки несущей способности за счет сил сопротивления по боковой поверхности свай при действии выдергивающих и вдавливающих вертикальных нагрузок при различных соотношениях L/d, рис.4.13.