Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов закрепления оснований при реконструкции зданий 8
1.1. Необходимость усиления оснований фундаментов зданий (на примере г. Санкт-Петербурга) 8
1.2. Инженерно-геологические особенности г. Санкт-Петербурга 13
1.3. Анализ существующих методов закрепления оснований фундаментов 18
1.4. Краткий обзор состояния исследования предельного сопротивления оснований 29
Глава 2. Исследование прочностных и деформативных свойств закреплённых оснований 34
2.1. Экспериментальные исследования предельного сопротивления основания 34
2.1.1. Методика проведения штамповых исследований 34
2.1.2. Основные результаты штамповых испытаний 38
2.2. Теоретическое определение величины предельного сопротивленияоснования и осадки штампа, закреплённого выштампованными микросваями 52
2.2.1. Методика расчёта несущей способности закреплённого основания 52
2.2.2. Методика расчёта осадки на закреплённом основании 57
2.3. Анализ экспериментальных данных и результатов расчётов по предложенной методике 62
Глава 3. Экспериментальные полевые исследования оснований 69
3 1. Задачи и методика полевых штамповых экспериментов 69
3.2. Полевые исследования влияния выштампованных микросвай на уплотнение грунтового основания 74
3.2.1. Инженерно-геологические и гидрогеологические особенности экспериментальной площадки №2 75
3.2.2. Динамическое зондирование грунтов основания 77
3.2.3. Визуальное обследование тела выштампованной микросваи 88
3.3. Экспериментальные исследования по определению модуля деформации материала микросваи 90
Глава 4. Численное моделирование работы фундаментов и основания,усиленного микросваями 93
4.1. Сравнение результатов численного моделирования с данными натурного эксперимента 93
4.2. Сравнение результатов численного моделирования с данными лабораторных опытов 99
Основные выводы 112
Список литературы 114
Приложение 1
- Инженерно-геологические особенности г. Санкт-Петербурга
- Теоретическое определение величины предельного сопротивленияоснования и осадки штампа, закреплённого выштампованными микросваями
- Полевые исследования влияния выштампованных микросвай на уплотнение грунтового основания
- Сравнение результатов численного моделирования с данными лабораторных опытов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время всё более актуальной становится проблема сохранения зданий и сооружений в исторических городах России. К таким городам относится и Санкт-Петербург, где значительная часть зданий и сооружений находится в неудовлетворительном состоянии, многие из них нуждаются в реконструкции и в восстановлении.
Основными причинами, негативно влияющими на состояние зданий и сооружений, являются неравномерные осадки, которые могут быть вызваны рядом условий: сложностью инженерно-геологических условий площадки; нарушением гидрологического режима площадки; динамическим воздействием от транспорта; влиянием от строительства окружающих зданий. В силу этого при реконструкции зданий и сооружений особое внимание необходимо уделять состоянию оснований.
Существует значительное количество публикаций, посвященных особенностям технологий усиления оснований фундаментов различными методами в различных инженерно-геологических условиях. Методики достаточно изучены и опробованы на объектах реконструкции.
Основным недостатком многих методик усиления является отсутствие расчётных обоснований, чётких пределов их применимости для грунтов. При этом можно отметить, что проведено недостаточное количество комплексных исследований по усилению оснований, сложенных различными грунтами.
В грунтовых условиях г. Санкт-Петербурга наиболее оптимальными являются те технологии, которые способны закреплять песчаные водонасыщенные основания.
Выбор того или иного метода закрепления основания должен быть научно и экономически обоснован при разработке рабочего проекта усиления. Результат закрепления должен обеспечивать надёжную и безаварийную работу основания фундаментов.
Целью диссертации является установление общих закономерностей взаимодействия грунтов с выштампованными микросваями, определение несущей способности усиленного основания и разработка методики расчёта.
Для осуществления указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведены лотковые лабораторные исследования работы оснований, усиленных выштампованными микросваями.
2. Выполнен натурный полевой штамповый эксперимент на основании, усиленном выштампованными микросваями.
3. Оценено изменение прочностных и деформационных свойств основания в околосвайном пространстве.
4. Численно промоделирована работа основания, усиленного микросваями, и проведено сравнение полученных данных с результатами экспериментов.
5. Разработана методика расчёта несущей способности оснований, усиленных выштампованными микросваями, с установлением минимального необходимого числа микросвай усиления в зависимости от степени нагружения и свойств грунтов основания.
6. Выполнено внедрение предложенной методики расчёта на реальных объектах реконструкции.
Научная значимость представленной работы заключается в следующем:
1. Разработан метод усиления грунтов в основании существующих фундаментов микросваями, позволяющий направленно формировать несущую способность усиленного массива грунта.
2. Определены зоны уплотнения грунтового основания с соответствующими изменениями прочностных и деформационных характеристик грунтов в околосвайном пространстве.
3. Разработана методика расчёта несущей способности оснований с определением необходимого количества микросвай усиления.
На защиту выносятся:
1. Методика экспериментальных исследований влияния усиления песчаных грунтов выштампованными микросваями на несущую способность основания.
2. Методика расчёта повышения несущей способности оснований с определением необходимого количества микросвай усиления.
Практическая значимость работы состоит в разработке методики расчёта несущей способности оснований фундаментов реконструируемых зданий и сооружений при усилении песчаных оснований выштампованными микросваями. Предложенные методы позволяют выполнить расчёт необходимого количества выштампованных микросвай при реконструкции зданий и сооружений.
Реализация результатов исследований. Результаты диссертации были использованы ООО "СК Подземстройреконструкция" при проектировании и реконструкции следующих объектов в г. Санкт-Петербурге:
1. Гостиница «Турист» по адресу ул. Севастьянова д.3.
2. Жилой дом по ул. Зайцева д.8.
3. Лечебно-оздоровительный центр по адресу Чебоксарский пер., д. 1.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 65, 66 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов СПбГАСУ (2008 – 2009), на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ПГУПС (2006 – 2009).
Публикации. Основные положения диссертации и материалы исследований изложены в 8 печатных работах, из них 2 печатные работы в журналах, включенных в перечень ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и пяти приложений. Список литературы состоит из 109 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем работы составляет 165 страниц, 75 рисунков и 19 таблиц, из них в приложениях – 40 страниц, 16 рисунков и 16 таблиц.
Инженерно-геологические особенности г. Санкт-Петербурга
При исследовании работы грунтовых оснований в г. Санкт-Петербурге невозможно не затронуть темы инженерно-геологических условий данного региона. Большой вклад в систематизацию инженерно-геологических комплексов города Санкт-Петербурга и Ленинградской области внесли такие учёные как: В.М. Бевзюк., Л.Г. Заварзин, В.М. Фурса и др. Многолетний опыт инженеров-геологов дал возможность получить представление о геологическом строении территории г. Санкт-Петербурга и его ближайших пригородов, расположенных в пределах трёх крупных геоморфологических районов [12]:1. Приморский низменный район.2. Приневская низменность.3. Возвышенный террасированный район. Рассмотрим особенности представленных геоморфологических районов.
Приморский низменный район. В этот район входит центральная часть города, расположенная в дельте реки Невы и острова дельты: Васильевский, Петроградский, Крестовский, Елагин, Каменный и др. Помимо территорий, расположенных в дельте Невы, к данному геоморфологическому району относятся: район Старой и Новой деревни от Лахтинского разлива до Коломяг, правый берег Большой Невки, территория между рекой Фонтанкой и ул. Моховой, а также юго-запад через Автово к Лигово и на запад до пос. Стрельна.
Дельта Невы сложена не речными наносами, как у других полноводных рек, а является дельтой размыва прибрежной морской равнины. Этим и объясняется геологическое сложение островов дельты Невы, такое же, как и вся равнина.
Абсолютные высотные отметки данного района до +10... 12м, на островных территориях составляют +5.. .6м.
Приневская низменность. Границы данного района расположены на севере от Удельного парка, на юго-востоке от района Полюстрово, к югу до территории Большой и Малой Охты, а также сюда входит почти вся южная часть города.
Район вытянут в широтном направлении от Ладожского озера до Финского залива, захватывая узкие полосы южного и северного побережья Невской губы шириной 30-50 км. Приневская низменность плоскими ступенями плавно спускается к Финскому заливу, переходя в приморский низменный район. Генезис района весьма сложный, связанный с древними разрывными дислокациями, эрозионной и аккумулятивной деятельностью ледников и послеледниковых морских бассейнов.
Абсолютные высотные отметки рассматриваемого района +20...30м. Возвышенный террасированный район. Данный район расположен в северо-восточной части города, занимает большую часть Выборгского и Калининского района.
Границы района с севера - Парголовская, с юга - Пулковская, Дудер-гофская и Лиговская возвышенности, с востока — Колтуши. Возникновение этих возвышенностей связано с деятельностью ледников.Абсолютные высотные отметки района +30...40м.
Помимо трёх крупных геоморфологических районов на территории г. Санкт-Петербурга можно выделить три основных грунтовых комплекса [1; 38]. Первый комплекс располагается в северной части города и представлен преимущественно песками мелкими и средними, а так же лёгкими супесями. Все виды грунтов, представленные в данном комплексе, обладают относительно хорошими строительными свойствами.
Особенностью второго грунтового комплекса является залегание луж-ской морены (в основном в виде супесей и тугопластичных суглинков) вблизи от дневной поверхности. По расположению данный комплекс находится в южной части города. Грунтовые условия второго комплекса так же благоприятны для целей реконструкции.
Третий грунтовый комплекс является самым сложным в решении геотехнических задач, как для нового строительства, так и для реконструкции. Сложность комплекса заключается в том, что под техногенным слоем находятся дельтовидные отложения мощностью до 10-15м, представленные в основном песками пылеватыми и мелкими, подстилаемыми слабыми супесями и суглинками. Часто встречаются прослойки более крупных песков, линз торфа и растительных остатков. Более прочные моренные отложения расположены в данном комплексе на глубине порядка 20-30м. Территориально комплекс расположен на островных частях города и в центре города вдоль реки Невы [37].
Для реконструкции наиболее сложных объектов были разработаны восемь основных типов наиболее часто встречающихся грунтовых разрезов, на глубину до 10м [1; 38; 89].
На основании разбивки территорий на грунтовые комплексы Л.Г. Заварзиным была составлена инженерно-геологическая карта г. Санкт-Петербурга (рис. 1.1), которая помогает в первом приближении решать задачи по реконструкции.Представляя краткую характеристику инженерно-геологических условий города, нельзя не упомянуть о гидрогеологических условиях территории.
На территории г. Санкт-Петербурга можно выделить четыре крупных водоносных горизонта [12; 99]. Для изучения работы оснований фундаментов более подробно рассмотрен первый горизонт грунтовых вод. Именно этот горизонт оказывает огромное влияние на работу грунтовых оснований под фундаментами реконструируемых зданий. Глубина залегания первого горизонта находится на 1-Зм от уровня планировки, мощность залегания до 20м. Второй, третий и четвёртый горизонты расположены значительно глубже (более 20м от уровня планировки) и, соответственно, оказывают незначительное влияние на работу грунтов под зданиями на естественных основаниях. Водопроводящим слоем в первом горизонте служат песчаные прослойки ленточных глин, Литориновые пески и супеси, а также техногенные отложения. Водоупором данного горизонта служат моренные суглинки. Питание осуществляется атмосферными осадками, разгрузка осуществляется в многочисленные реки и каналы города.
Именно первый водоносный горизонт испытывает на себе техногенные воздействия от хозяйственной деятельности города. В последнее время отмечается поднятие уровня воды в первом горизонте. Это связано с плотной городской застройкой и повсеместным асфальтированием города, что приводит к затруднению естественного испарения воды с поверхности грунтов.
Теоретическое определение величины предельного сопротивленияоснования и осадки штампа, закреплённого выштампованными микросваями
Одним из существенных недостатков применения выштампованных микросвай является недостаточная изученность до настоящего времени теоретического обоснования их влияния на несущую способность усиленных оснований [48].
Настоящими исследованиями поставлена задача определения степени усиления основания при устройстве микросвай. С этой целью изобразим схему зон предельного состояния основания для ленточного фундамента (левая часть рисунка 2.13). Для ленточного фундамента предельная нагрузка на основание может быть определена выражением 2.1:все обозначения приняты в соответствии со СНиП 2.02.01-83 [70];
В правой части рисунка 2.13 изображена расчётная схема (по Л. Пран-дтлю) от полосовой нагрузки для основания, в которое в качестве усиления добавлена выштампованая микросвая.
Задача рассматривается на основе использования следующих допущений:1. Выполненные микросваи с целью усиления (увеличения силы предельного сопротивления) основания вдоль существующих фундаментов пересекают зону II (рис. 2.13) и таким образом, прежде всего, создают препятствие для развития горизонтальных деформаций (зон сдвигов). В результате на часть длины микросваи Zmax будет действовать горизонтальный распор, создавая усилие в виде активного давления грунта Еакт.(Св.). Величина данного распора переменна в зависимости от условий загружения фундамента и достигает максимального значения в момент нарушения равновесия жёсткой сваи (поворот относительно т. О). Данный вид деформаций микросвай был подтверждён экспериментом (см. рис. 2.15, 2.16).2. Противодействовать силе активного давления грунта будет пассивный отпор Епасісв. развитие которого в первом приближении, может быть определено следующими расчётами.
Как известно, максимальная глубина развития зон пластических деформаций при полосовой нагрузке, согласно исследованиям Маслова Н. Н. [54; 56], может быть определена выражением 2.2:где b — ширина подошвы полосовой нагрузки; р- угол внутреннего трения грунта основания.
После передачи давления на основание (предельное давление на основание, рассчитанное по СНиП 2.02.01-83 [70]), предполагается, что поверхности скольжения грунта (в направлениях от фундамента) начинают плавное обтекание вокруг ствола микросвай. В результате происходит резкое уменьшение развития площади влияния сопротивления пассивного отпора на максимальную глубину развития зон пластических деформаций (по расчётам, сделанным для разных диаметров микросвай, площадь развития пассивного отпора уменьшается более чем в 12 раз) [6].
Исходя из перечисленных условий, до глубины Zmax пассивным отпором в первом приближении можно пренебречь (значительное снижение сопротивления грунта). Тогда пассивный отпор Епас1св будет возникать только на части сваи h, расположенной ниже поверхностей скольжения (рис. 2.13).
Для определения Enaica. вычислим пассивное давление (Ті „ас. в грунте, действующее на микросваю, из условия предельного состояния (формула 2.3): где h=-bxtg(p - отрезок сваи, расположенный ниже поверхностей скольжения (см. ранее).
На первоначальной стадии нагружения основания принимается h=l;F -к-гС6 - площадь пловины периметра микросваи, по которой возникает пассивный отпор;Пассивный отпор Епас/св в соответствии с геометрическими построениями (рис. 2.14) может быть представлен двумя составляющими:
Определив величину пассивного отпора для микросваи в момент сё предельного равновесия (возникновение поворота относительно т. О), представляется возможным вычислить дополнительную составляющую для силы предельного сопротивления усиливаемого микросваями основания (формула 2.6):где п - количество микросвай усиления на единицу расчётной длины фундамента.Тогда для основания, усиленного микросваями, сила предельного сопротивления (из условия равновесия свай) составит (выражение 2.7):где N - сила расчётного сопротивления основания без учёта свай, определяемая выражением (2.1).NnIc - сила предельного сопротивления основания с учётом работы микросвай.Таким образом, задавшись предварительно размерами микросваи (радиусом и длиной по технологическим особенностям изготовления), можно найти необходимое число микросвай усиления (п) (из выражения 2.8), в зависимости от требуемой (задаваемой) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Nu(vcl) (из условия равновесия свай):
Согласно ГОСТ 12374-66 [28] модуль общей деформации (сжимаемости) Е0 грунта вычисляют в зависимости от осадки S и давления Р по формуле:где JI - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 - для крупнообломочных пород, 0,30 - для песков и супесей, 0,35 - для суглинков и 0,42 - для глин;со- безразмерный коэффициент, зависящий от жёсткости штампа [64];b - ширина подошвы штампа;Ар - приращение удельной ступени нагрузки на штамп;As - приращение осадки штампа, соответствующее Ар.
Одним из способов определения модуля общей деформации является проведение штамповых испытаний, по результатам испытаний строят графики зависимости осадки от прикладываемого давления (пример графика представлен на рис. 2.10). На основании результатов испытаний определяют модуль общей деформации для основания.
Штамповые испытания можно проводить на естественном основании и на основании, усиленном выштампованными микросваями. Для неусиленного основания модуль деформации грунта можно также определять традиционными методами на основании лабораторных испытаний или по результатам штамповых испытаний.
В случае усиления оснований выштампованными микросваями возникают некоторые сложности в проведении штамповых испытаний основания, что связано с трудоёмкостью прведения экспериментов.На основании лотковых лабораторных штамповых экспериментов (проведённых для несиленного основания и основания, усиленного микросваями) предложен инженерный метод расчёта осадки в зависимости от прикладываемого давления, основанный на допущении осреднения модуля деформации грунта и сваи.
В основании штампа на неусиленном основании находятся однородные грунты с примерно одним модулем деформации Еф в пределах сжимаемой зоны. В основаниях, усиленных микросваями, модуль деформации будет определяться двумя величинами. Первое - это модуль деформации грунта до усиления Егр, второе - модуль деформации микросваи Есв. Для того чтобы определить средневзвешенное значение модуля деформации Еср для двух неоднородных сред необходимо определить объём основания, который наиболее подвержен влиянию от штампа.
Согласно исследованиям [95], проведённым на основе штамповых экспериментов, преобладающая величина всех деформаций основания развивается по глубине, равной ширине подошвы штампа (в). В основании на глубине равной ширине подошвы было зафиксировано более 90% всех деформаций, на нижние слои приходятся оставшиеся 10%. Соответственно введём допущения, что расчёт по осреднению модуля деформации оснований необходимо рассчитывать в объёме глубины (Л), равной ширине подошвы (в =Н).Для определения осредненного модуля продольной деформации воспользуемся формулами эквивалентной деформируемости [87] для двухком-понентной среды, используя полидисперсную модель среды с цилиндрическими включениями.Эквивалентный объемный модуль деформации может быть вычислен по формуле 2.10:
Полевые исследования влияния выштампованных микросвай на уплотнение грунтового основания
В геологическом отношении территория изысканий приурочена к озёр-но-морским (литориновым) отложениям, залегающим на озёрно-ледниковых отложениях Балтийского ледникового озера. В геологическом строении площадки на разведанную глубину до 30 м принимают участие современные и верхнечетвертичные отложения. Современные отложения представлены техногенными, озёрно-морскими образованиями и верхнечетвертичными озёрно-ледниковыми суглинками, глинами ленточными и ледниковыми и ледниковыми суглинками. Архивные скважины участка представлены в приложении 5. В соответствии с геолого-литологическим строением территории и физико-механическими свойствами грунтов могут быть выделены следующие инженерно-геологические элементы (ИГЭ): Техногенные отложения (t IV) представлены насыпными грунтами (ИГЭ 1) - щебень, строительный мусор, битый кирпич, перемешанный с песком крупнозернистым, в скважине №1603 с глубины 2,0 м с линзами торфа, в №1606 с обломками древесины. Грунты гумусированные, неоднородные по составу и сложению, обладают неравномерной степенью сжимаемости. Мощность техногенных отложений по пройденным выработкам составляет 2,1...3,2 м. Озерно-морские отложения (ml IV) ИГЭ-2 представлены илами суглинистыми вскрытыми скважинами №1603-1605 под насыпными грунтами на глубине 2,10-3,40м. Илы характеризуются тёмно-серым цветом, слоистостью, с тонкими прослоями песка. Мощность илов суглинистых - 0,40... 1,00м. ИГЭ-3. Пески пылеватые встречены всеми скважинами: под насыпными грунтами на глубине 2,6 м, под илами суглинистыми ИГЭ-2 на глубине от 2,90 до 3,60 м. Пески характеризуются серым цветом, средней плотностью сложения, водонасыщенным состоянием, до 4,50-5,20 м - заиленные, ниже с прослоями песка мелкого и супесей мощностью до 5 см. Мощность песков пылеватых ИГЭ-3 изменяется от 2,10 до 8,90 м. Пески пылеватые служат основанием фундаментов здания. ИГЭ-За. Пески мелкие встречены скважиной №1603 в толще песков пылеватых ИГЭ-3 в виде прослоя мощностью 0,5 на глубине 8,80-9,30 м. Пески характеризуются серым цветом, средней плотностью сложения, водонасы-щенным состоянием, пески заиленные. Озерно-ледниковые отложения (lg HI b) представлены напластованием суглинков (ИГЭ 4). Суглинки текучие встречены всеми скважинами: под современными отложениями на глубине 10,8-11,4 в толще глин ленточных на глубине 15,5-16,5 м. Суглинки характеризуются серым цветом, пылеватым составом, с частыми прослоями пылеватого водонасыщенного песка. Мощность суглинков ИГЭ-4 изменяется от 4,00 до 7,40 м. ИГЭ-5. Глины ленточные мягко-текучепластичные встречены всеми скважинами: под современными отложениями на глубине 11,2-11,5 м, под суглинками на глубине 16,5-20,5 м. Глины характеризуются серым, с глубины 18,0 м - коричневато-серым цветом, пылеватым составом, слоистой текстурой. Мощность глин ИГЭ-5 изменяется от 3,00 до 6,80 м. Верхнечетвертичные ледниковые отложения (g III Iz) ИГЭ-6 встречены всеми скважинами под озёрно-ледниковым и отложениями на глубине 26,9-27,4 м, представлены суглинками тугопластичными, участками полутвёрдыми. Суглинки характеризуются серым цветом, содержат гнёзда и линзы песка, включения гравия и гальки размером 1-3 см до 12%. Вскрытая мощность суглинков ИГЭ-6 изменяется от 2,6 до 3,10 м. В. гидрогеологическом отношении участок характеризуется наличием грунтовых вод со свободной поверхностью, которые приурочены к насыпным грунтам и озерно-морским пескам. Многолетний среднегодовой уровень грунтовых вод соответствует глубинам 2,1-2,4 м.
Питание горизонта осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков. Разгрузка горизонта осуществляется в канализационную сеть. Водо-упором служат глинистые грунты ледниковых отложений. Амплитуда сезонных колебаний уровня подземных вод составляет около 2,0 м (по материалам режимных наблюдений ПГО «Севзапгеология»). Максимальный уровень грунтовых вод в периоды активного снеготаяния и выпадения дождей можно ожидать у поверхности земли. Для определения плотности грунтов в около свайном пространстве выполнялось динамическое зондирование грунтов. Зондирование выполнялось в трёх местах площадки около свай № 63, 341, 280, схема расположения микросвай на объекте реконструкции представлена на рис. 3.4. У каждой сваи выполнялось по 5 точек динамического зондирования на глубину до 2,2м (за 0 была принята отметка планировки около свай, головы свай находились на 0,2м выше отметки планировки). Каждая точка была удалена от микросваи на расстояние 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 м, а каждая пятая точка была удалена от тела сваи на расстояние 1,1м (рис. 3.5, 3.6). Для того, чтобы исключить влияние на результаты экспериментов от напряжённого состояния грунта под подошвой существующих фундаментов все точки зондирования выполнялись по направлению от фундаментов к центру подвала. Динамическое зондирование выполнялось в соответствии с требованиями СНиП 11-02-96 [85] и ТСН 50-302-2004 [86]. Архивные данные изысканий (приложение 5) и результаты полевого отбора грунтов с последующими лабораторными испытаниями (лабораторные исследования отобранных на площадке грунтов основания проводились в лаборатории «Механики грунтов» кафедры «Основания и фундаменты» ГТГУПС) позволили установить, что выштампованные микросваи преимущественно залегают в песках пылеватых. Опытное динамическое зондирование Испытания грунта методом динамического зондирования проводились с помощью специальной установки, обеспечивающей внедрение зонда ударным способом. При динамическом зондировании измерялись: —глубина погружения зонда от определенного числа ударов молота (залога) при ударном зондировании, h; —условное динамическое сопротивление грунта погружению зонда, pd. В состав установки для испытания грунта входит: — зонд (набор штанг и конический наконечник); — ударное устройство для погружения зонда (молот весом 10 кг). По данным измерений, полученных в процессе испытания, было вычислено условное динамическое сопротивление грунта - pd. A - удельная энергия зондирования, Н/см, определяемая по ГОСТ 19912-2001 [32], таблице 2; ЛГ, = 0.49 - коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню, определяемый по ГОСТ 19912-2001, таблице 4; К2 = \ коэффициент учета потерь энергии на трение штанг о грунт, определяемый в зависимости от усилия при повороте штанг, определяемый по ГОСТ 19912-2001, ПРИЛОЖЕНИЮ Д; п - число ударов молота в залоге; h - глубина погружения зонда, см. Обработка результатов зондирования выполнялась на компьютере с помощью вышеприведенных формул на основе рекомендаций по обработке полевых данных динамического зондирования [32; 96] и по «Методическим указаниям по динамическому зондированию легким забивным зондом», с учетом тарирования ЛЗЗ в типичных для г. Санкт-Петербурга грунтах, служащих естественным основанием исторической застройки [61]. На основе величины условного динамического сопротивления определись механические характеристики грунтов: Е - модуль деформации, ф -угол внутреннего трения, с - удельное сцепление. Анализ результатов зондирования показал: - участок динамического зондирования №1 (свая № 63). На участке динамического зондирования №1 рис. 3.7 были выделены следующие особенности: на глубине от 0,0 до 0,4 м в радиусе примерно 0,4 -0,5 м от сваи в толще песка обнаружены остатки бетона и битого кирпича, этим объясняется большое сопротивление динамическому зондированию (величина сопротивления динамического зондирования на данном участке Qg=3,8...6,2Mna). Точка №1 (0,2 м) показала, что по всей глубине проходки зонда пески пылеватые по плотности сложения находятся в состоянии средней плотности (величина сопротивления динамического зондирования Qg = 3,7...7,5 МПа).
Сравнение результатов численного моделирования с данными лабораторных опытов
В общем случаи для грунтов зависимость между напряжениями и деформациями носит четко выраженный нелинейный характер, поскольку помимо упругих деформаций значительную часть составляют пластические деформации (рис. 4.7).
Для описания пластических деформаций используют деформационную теорию пластичности и теорию пластического течения [103].
Принято считать, что теории, базирующиеся на теории пластического течения, более полно описывают поведения грунта, однако для определения параметров подобных моделей требуется проведение весьма сложных лабораторных исследований [40; 45]. Для моделирования полевого штампового эксперимента использовалась более простая модель грунта (с критерием прочности Кулона-Мора), чем для лоткового эксперимента. Это объясняется тем, что для расчёта сложных моделей грунта необходимо проводить стаби-лометрические испытания грунта. Для грунтов, использованных в полевом штамповом эксперименте, отсутствовали данные стабилометрических испытаний.
Данное выражение можно записать в форме: Как правило, для зависимостей К (с) используют логарифмическуюлибо степенную функцию, для зависимостей Gi ) - степенную, либо гиперболическую функции [22].
В наших численных расчетах использовалась модель А.Г. Шашкина, К.Г. Шашкина, реализованная в программе Fern-Models [104; 105].
В лаборатории были выполнены стабилометрические испытания, позволяющие установить вид зависимостей и подобрать необходимые параметры модели (см. приложение 1).
Стабилометрические испытания проводились по консолидировано дренированной схеме. Образцы обжимались нагрузкой в 200, 400 и 600 кПа, затем нагружение проводилось по траектории раздавливания. В результате были установлены виды зависимости сдвиговых деформаций от сдвиговых напряжений, а так же объемных деформаций от среднего давления. Параметры модели подбирались таким образом, чтобы наиболее точно аппроксимировать опытные кривые.
Сравнение результатов численного расчета с данными натурных наблюдений представлено на рисунках 4.14-4.17.
По результатам моделирования оснований методом конечных элементов приведены рисунки изолиний осадки штампа при нагрузке на штамп 225 кПа (рис. 4.18, 4.19, 4.20, 4.21). Данная нагрузка является критической практически для всех моделируемых оснований. Осадка штампа при нагрузке 225 кПа составила:— для неусиленного основания 12 мм;
Как видно из рисунков 4.14 и 4.15, кривые осадки, полученные по результатам моделирования для неусиленного основания и основания, усиленного микросваями под углом 0 , практически идентичны, а кривые, полученные на основании лотковых экспериментов при закреплении под углом 30 и 45, существенно отличаются. Несущая способность неусиленного основания составила 146 кПа, усиленного микросваями под углом 0 - 174 кПа. Следовательно, при расчёте не учитывается работа, связанная с преодолением препятствий в результате горизонтальных деформаций (зон сдвигов) при вертикально установленных микросваях.
При углах наклона микросвай 30 и 45 программа учитывает то, что микросваи включены в работу основания, это прослеживается по результатам расчёта (см. рис. 4.16, 4.17).
Проанализировав разницу осадок штампа, полученных по расчёту и на основании выполненных лотковых экспериментов, при предельной силе со противления грунтового основания, посчитанного по методу, предложенному в разделе 2.3. данной диссертации, получим следующие результаты: - для неусиленного основания - 18%; - для основания, усиленного микросваями под углом 0 - 12%; - для основания, усиленного микросваями под углом 30 - 4%; - для основания, усиленного микросваями под углом 45 - 5%. Наилучшая сходимость результатов расчётов и эксперимента получилась для оснований, усиленных микросваями, расположенными под углом 30 и 45. Следовательно, численный расчёт для оснований, усиленных микросваями под углом 30 и 45 к вертикали, предлагается к использованию на объектах реконструкции. Результаты проведённых теоретических обоснований, численных расчетов и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы: 1. Использование идеально упругопластической модели грунта с критерием прочности Кулона-Мора для моделирования процесса нагружения основания через жесткий штамп (FEM-Models) позволяет получить результаты расчёта, удовлетворительно согласующиеся с полевым экспериментом, расхождение осадки на участке нагружения от 0 до величины равной Nu( ci) не превышает 3%. 2. Проанализировав разницу осадок штампа, полученных по расчёту в программе (FEM-Models) и на основании выполненных лотковых экспериментов, при предельной силе сопротивления грунтового основания, посчи Ill тайного по методу, предложенному в разделе 2.3 данной диссертации, получили следующие результаты: - для неусиленного основания - до 18%; - для основания, усиленного микросваями под углом 0 - до 12%; - для основания, усиленного микросваями под углом 30 - до 4%; - для основания, усиленного микросваями под углом 45 - до 5%. 3. Численный расчёт осадки с использованием программы FEM-Models следует проводить до значения силы предельной несущей способности основания NU(yCi), рассчитанного по методике, предложенной в 2.2.1 данной диссертации, так как программа не позволяет определить момент потери несущей способности основания (резкое увеличение осадки). 4. Минимальное расхождение между результатами расчётов и эксперимента составляет для оснований, усиленных микросваями, расположенными под углом 30 и 45. Расчёт для оснований, усиленных микросваями, распол-жеными под углом 30 и 45 к вертикали, предлагается использовать в разработке проектных решений по усилению основания.
