Содержание к диссертации
Введение
2. Современные данные о работе свай на горизонтальные нагрузки 9
2.1. Применяемые методы расчета свай на горизонтальные нагрузки 9
2.2. Экспериментальные исследования работы свай на горизонтальные нагрузки 20
2.3. Выводы и задачи исследований 26
3. Изучение основах факторов, влиящих на несущую способ ность свай при действии горизонтальной нагрузки 30
3.1. Методика экспериментальных исследований и характеристика опытных площадок 30
3.2. Изучение сопротивления свай горизонтальным нагрузкам на крупномасштабных моделях 40
3.3. Изучение несущей способности натурных свай при действии горизонтальных нагрузок 61
3.4. Выводы 77
4. Изучение коэффициента посгеж грунта для горизонтально нагруженных свай 79
4.1. Методика экспериментальных исследований 79
4.2. Влияние глубины на величину коэффициента постели грунта 83
4.3. Влияние перемещений и размеров штампа на величину коэффициента постели грунта 95
4.4. Выводы 105
5. Методика расчета свай на горизонтальные нагрузки в глинистых грунтах 107
5.1, Теоретические основы методики расчета 107
5.2, Описание алгоритма численного решения 114
5.3, Сопоставление результатов статических испытаний свай с данными теоретического анализа 118
6. Заключение (общие выводы) 126
Литература
- Экспериментальные исследования работы свай на горизонтальные нагрузки
- Изучение сопротивления свай горизонтальным нагрузкам на крупномасштабных моделях
- Изучение несущей способности натурных свай при действии горизонтальных нагрузок
- Влияние перемещений и размеров штампа на величину коэффициента постели грунта
Экспериментальные исследования работы свай на горизонтальные нагрузки
Первые экспериментальные исследования, проведенные в полевых условиях А.А.Лебедевым/47/, Н.В.Лалетиным/4б/, Б.Н.Жемоч-киным / 29 /с деревянными сваями, послужили основой для критического отношения к применяемой в то время теории предельного равновесия. Опыты показали, что разрушение деревянных свай происходит в результате потери устойчивости сваи за счет сдвига грунта в сторону действия силы и зависит от длины и ширины сваи, высоты приложения нагрузки. Грунт с противоположной стороны сохраняет вертикальный откос, что свидетельствует об отсутствии активного давления на сваю.
В.Н.Голубковым /21,22/были проведены в различных грунтовых условиях натурные исследования деревянных одиночных свай с целью определения их несущей способности при действии горизонтальных нагрузок. Исследования показали, что на несущую способность влияет сопротивление песчаного грунта за счет его уплотнения и сопротивления ствола сваи. На основе изучения характера перемещения сваи в грунте автор делает вывод, что длинная свая под нагрузкой изгибается только в верхней части. Положение т.н.п. зависит от глубины погружения сваи, ее жесткости, величины нагрузки, и плотности грунта. Излом сваи происходит в точке нулевых перемещений. С увеличением нагрузки т.н.п, незначительно смещается вниз,
В.В,Миронов/69/на моделях свай сечением 12x12 см выявил, что т.н.п. лежит несколько ниже нулевой точки на эпюре реактивного давления, а ниже т.н.п, коэффициент постели несколько уменьшается.
В.C.ItepоHOB/б?/по испытаниям стальных трубчатых свай сделал вывод, что коэффициент постели не может быть постоянной величиной, он возрастает с глубиной и зависит от размеров сваи и величины внешней нагрузки.
Исследования, проведенные Л.С.Мазуренко и Д,А,Шварцманом /57/, В.В.Мироновым, С.П.Горбатовым, В.Б.Шахиревым и Г.С.Яныше-вым/П2/, В.Н.Голубковнм и Ю.М.Гончаровым/221/ ссполььованием тензодатчиков и месдоз показали, что прочностные свойства грунта с глубиной увеличиваются, а т.н.п. лежит ниже Мтахж незначительно опускается с ростом внешней нагрузки. Полученные результаты подтверждали выводы, сделанные Н.К.Снитко /88,89 / о том,что т.н.п. расположена ниже максимального изгибающего момента, и о том, что она незначительно опускается с ростом внешней нагрузки.
Г.С.Лввдмович/48,49/также установил, что максимальный мо-мент, при определенной нагрузке, расподожен выше т.н.п., а с увеяичением нагрузки максимальный момент и т.н.п. опускаются вниз.
М.И.Никитенко/ 73 /установлено, что положение нулевой точки зависит от величины и высоты приложения нагрузки, а также от свойств грунта по глубине погружения сваи. Увеличение глубины погружения сваи приводит к возрастанию гибкости и снижению несущей способности. Зависимость несущей способности от диаметра (размеров) сваи является линейной, а от глубины заделки - нелинейной. Полученные эпюры реактивных давлений свидетельствуют о значительном сопротивлении грунта около дневной поверхности, обусловленном силами сцепления. Замеренные струнными датчиками эпюры давления по очертанию согласуются с эпюрами, полученными В.Н.Голуб-ковым и Ю.М.Гончаровым /21 /с помощью тензометрических мессдоз.
Экспериментальные исследования по определению отпора грунта и коэффициента постели, проведенные А.З.Зархи /35/ в лабораторных условиях, показали, что сопротивляемость грунта и коэффициент постели нелинейно зависит от плотности грунта. Характер эпюры реактивного давления и упругой линии позволили сделать вывод, что верхнюю часть сваи до т.н.п. можно расчитывать по схеме консоли, заделанной в грунт. Исследования, проведенные А.В.Филатовым /106/, на моделях жестких свай разного поперечного сечения, выполненных из железо-бетонна, стали и дерева, показали, что с увеличением нагрузки т.н.п. смещается в сторону нижнего конца сваи; при одинаковой нагрузке перемещение сваи в уровне поверхности грунта и отпор грунта выше для свай с меньшими значениями поперечной жесткости, Зависимость между коэффициентом постели и глубиной нелинейна. С увеличением нагрузки коэффициент постели уменьшается и для свай с различной шириной поперечного сечения его величина различна.
А,Я,Серебро/94/, испытывая трубчатые сваи диаметром 0,78м, установил, что глубина расположения максимального момента для жестких свай значительно ниже, чем для гибких и составляет 1/3 глубины погружения. Эпюра отпора грунта представляет собой параболу с нулевыми ординатами на поверхности грунта и в точке нулевых перемещений. Коэффициент постели принимается возрастающим по линейному закону,
Проведенные А.С.Бусловым /ю/ исследования показали, что коэффициент постели меняется в зависимости от величины действующей нагрузки. С увеличением горизонтальных перемещений коэффициент постели уменьшается. А.С.Буслов считает, что можно принимать постоянный коэффициент постели по глубине, начиная с некоторого расстояния от поверхности. Это предположение соответствует расчетным схемам В.Г.Березанцева и К.Хаяси. В отличие от А.С.Строганова, А.С.Буслов предлагает коэффициент постели определять по результатам испытаний грунтов штампами,
Изучение сопротивления свай горизонтальным нагрузкам на крупномасштабных моделях
Исследование зависимости изменения несущей способности и положения точки нулевых перемещений осуществлялось с применением математических методов планирования эксперимента, позволяющего -использовать результаты опытов для получения математической модели объекта исследования. Модель представляет собой функцию отклика, которая связывает параметры выхода и факторы, воздействующие на объект,
Лабораторная серия исследований спланирована по методике латинского квадрата /бО/. Исследовались три фактора на пяти различных уровнях, которые представлены в табл.3.4. Для всех опытов высота приложения нагрузки от поверхности грунта принята постоянной величиной.
Систематическое изменение всех факторов, при условии проведения 25 опытов, позволило построить эксперимент так, что каждое их сочетание встречается только один раз (рис.3.7). Опыты рандо-мизировались во времени с целью уменьшения влияния систематической ошибки, вызванной внешними условиями. Методика планирования эксперимента по латинскому квадрату применима только для приближенных исследований, когда необходимо получить качественную картину и выделить основные факторы/59,80,84/. При использовании латинского квадрата предполагается, что эбтфекты взаимодействия не значимы и, как следствие, можно ограничиться только линейной моделью вида l i n
Основная задача дисперсионного анализа состояла в том, чтобы из трех выбранных факторов, влияющих на изучаемую переменную, выделить главные /84,П0/. Этим достигается возможность достоверной обработки опытных данных и получения эмпирической зависимости. Результаты экспериментов при перемещениях свай в уровне поверхности грунта, равных 10 мм,приведены на рис.3,8 и сведены в табл.3,5.
Следующим этапом явилась проверка значимости всех взаимодействий от выбранных факторов по критерию Фишера, в результате
Проведенный дисперсионный анализ показал, что в уравнении (3.2) наибольший вклад в значение "у" вносиш свободный член и главные эффекты. В полученном уравнении знак плюс соответствует увеличению выхода, а знак минус - уменьшению,
Как следует из уравнения (3.2), несущая способность сваи определяется всеми тремя факторами, причем влияние диаметра арматуры значительно больше, чем влияние глубины погружения и модуля деформации грунта. С повышением жесткости поперечного сечения сваи за счет увеличения диаметра арматуры, при постоянной глубине погружения и постоянном модуле деформации, несущая способность увеличивается до 70%, а с увеличением глубины погружения при постоянных значениях диаметра арматуры и модуля деформации, несущая способность возрастает всего лишь на 14%, С возрастанием модуля деформации грунта несущая способность уменьшается. Это можно объяснить тем, что принятый в эксперименте интервал изменения модуля деформации очень мал,
Следует отметить, что планирование по методике латинского квадрата применимо для приближенных исследований / НО /, когда необходимо выделить основные эффекты сочетания факторов, чтобы определить, с чего начинать дальнейшее детальное исследование,
С целью получения количественных показателей несущей способности свай и положения точки нулевых перемещений быя поставлен полный факторный эксперимент (ПФЭ 2 ) / 59 / с тремя повторными опытами на каждом уровне ( к - количество переменных факторов). Метод факторного планирования эксперимента при значительном сокращении количества опытов позволяет получить надежные эмпирические зависимости и вычислить коэффициенты модели при помощи метода наименьших квадратов, оценка которых будет независимой/2,110/,
При планировании эксперимента в натурных условиях в качестве основных переменных факторов были приняты: сторона сечения сваи X, , глубина погружения Х » диаметр рабочей арматуры Х3, горизонтальное перемещение сваи в уровне поверхности грунта X/, . Постоянными факторами являлись высота приложения нагрузки от поверхности грунта и физико-механические свойства грунта опытной площадки,
Полный факторный эксперимент 2 предполагает определение эмпирической зависимости влияния на функцию отклика заданных факторов на двух уровнях и их взаимного сочетания. Для упрощения записи условий эксперимента и обработки опытных данных основные уровни и интервалы варьирования факторов приведены в табл.3,6, Эти значения заданы так, чтобы верхний уровень соответствовал +1, нижний -I, основной О,
Изучение несущей способности натурных свай при действии горизонтальных нагрузок
При анализе изменения несущей способности натурных свай в зависимости от гяубины погружения и жесткости поперечного сечения использованы результаты статических испытаний, проведенных автором, а также использованы материалы треста УралТИСИЗ (площадка строительства ЦГФУ) и институтом Уралпромстройниипроект (площадка №1). Грунтовые условия площадки строительства ЦГФУ аналогичны площадки Щ.
Результаты испытаний показали, что величины горизонтальных перемещений при одинаковых нагрузках и длине свай имеют разброс до 50% (см.рис.3.14 и 3.15). Четкой зависимости между длиной свай и величиной перемещений не установлено. Это можно объяснить неоднородностью грунтов, которая характерна для верхних горизонтов в разных точках опытных площадок. Такой разброс затрудняет определение предельной несущей способности и поэтому она определялась из условия предельно допускаемых горизонтальных перемещений, которые принимались равными 10 мм. Результаты определения несущей способности приведены в табл.3.12.
Проведенные исследования на моделях свай (см.раздел 3.2) показали, что.несущая способность с увеличением глубины погружения уменьшается. Это же наблюдается и для натурных свай. При статистической обработке полученных результатов было выявлено, что увеличение глубины погружения от 4 м до 8 м приводит к уменьшению несущей способности от 7% до 23$. Так, для свай с жесткостью поперечного сечения ВЗ=14«93.Ю6 Нм при глубине погружения 4м несущая способность составляет в среднем 27 кН, глубине погружения 6 м - 26 кН, при глубине погружения 7 м - 25 кН. Для свай с при глубине погружения 7м-28кН, 8м 26 кН, Уменьшение несущей способности вызвано тем, что с увеличением глубины погружения возрастает гибкость свай, которая приводит к возрастанию.изгибающего момента за счет понижения точки нулевых перемещений.
С увеличением жесткости поперечного сечения за счет изменения вида армирования для свай с постоянной глубиной погружения несущая способность возрастает в среднем на 12 .
В работах/36,39,48,57,72/отмечалось, что на несущую способность свай, при прочих равных условиях, влияет и уровень приложения горизонтальной нагрузки. Чем ближе к поверхности грунта приложена нагрузка, тем выше несущая способность. Однако, анализ полученных результатов испытаний показал, что изменение уровня приложения нагрузки в пределах от 0,1 до 0.35 м от поверхности грунта практически не влияет на несущую способность сваи.
Проведенные замеры от поверхности до точки нулевых перемещений для натурных свай показали, что с увеличением глубины погружения т.н.п., так же как и для моделей свай, понижается и составляет примерно пятую часть.от глубины погружения. Сопоставление результатов определения т.н.п. для натурных свай сечением 30x30 см и глубиной погружения 7 м с результатами модельных исследований (масштабный множитель (X =5) показало, что полученная ранее зависимость (3,7) пригодна и для определения положения т.н.п. натурных свай, при введении в уравнение коэффициента 0 =5. Так, для моделей свай сечением 6x6 см и глубиной погружения 140см т.н.п. располагается на глубине 28,2 см, а для.натурных свай сечением 30x30 см и глубиной погружения 7 м т.н.п. при сХ =5 будет находиться на глубине 141 см (по опыту - на глубине 115 см); при глубине погружения 8 м т.н.п. расположена на глубине 150 см (по опыту - 120 см).
Таблица 3.13 Глубина условной заделки сваи (т.н.п.) при перемещении сваи в уровне поверхности грунта Дг= 1 мм свай Глубина погружения, м Высота приложения нагрузки, м Гяубина условной заделки, м ПОопыту по Д.В.Ангельскому по А.С.Строганову по В.Б.Шахиреву по зависимости (3.16) м и % отклон, м % отклон. м % отклон. м %откл
Расчетные значения положения точки нулевых перемещений при перемещениях сваи в уровне поверхности грунта равных 10 мм. при переходе от модели к натуре имеет близкие к опытным данным. Кроме того, расчетная глубина положения точки нулевых перемещений для натурных свай.несколько больше опытных, что идет в запас несущей способности. Сопоставление экспериментальных и теоретических значений положения точки нулевых перемещений при заданном перемещении сваи в уровне поверхности грунта А =10 мм приведено в табл.3.13. Из таблицы видно, что расчетные значения т.н.п., полученные по аналитическим формулам, намного превышают экспериментальные, причем формулы А.С.Строганова./ 101 / и В.Б.Шахирева /113,114/: предусматривают понижение т.н.п. не только с увеличением глубины погружения сваи, но и с возрастанием перемещений более 10 мм. Формула же Д.А.Ангельского/3/предусматривает по-стоянство положения т.н.п. вне зависимости от глубины погружения и понижает ее только с изменением приведенной жесткости поперечного сечения сваи.
Полученная эмпирическая зависимость (3.7) предусматривает понижение точки,нулевых перемещений с увеличением глубины погружения сваи: А.С.Буслов/Ю/на основе экспериментальных исследований, установил, что понижение точки нулевых перемещений будет происходить лишь до определенного значения горизонтальных перемещений, после которой нулевая точка смещается вверх.
С помощью заливки гипсового раствора было выявлено, что с возрастанием горизонтальных перемещений нулевая точка мгновенного центра вращения в процессе изгиба ствола сваи так же, как и для полунатурных свай, поднимается к поверхности грунта. Как видно из графиков изогнутой оси сваи (рис,3.16), центр вращения при изгибе имеет наибольшую глубину при малых перемещениях.
Влияние перемещений и размеров штампа на величину коэффициента постели грунта
Изучение коэффициента постели грунта проводились на двух опытных площадках. Грунтовые условия опытной площадки ЇЬ I описаны в разделе 3.1. Экспериментальная площадка № 2 находилась в пос. Шарташ г.Свердловска. Для определения физико-механических свойств было пробурено три скважины до глубины 10 м с отбором монолитов грунта на анализ через каждый метр проходки. Изысканиями установлено, что площадка расположена в зоне развития метаморфических пород, представленных хлоритовыми сланцами. Сверху коренные породы перекрыты мощным слоем элювиальных образований, которые представлены суглинками. Начиная с глубины 1 8 м суглинки переходят в более плотные породы в виде щебня хлоритовых сланцев слабой крепости а ниже в щебенисто-разборный рухляк. В плане грунты экспериментальной площадки однородны. Средние показатели физико-механических характеристик элювиального суглинка до глубины 4 м приведены в табл.4.I. Грунтовые воды до 10 м отсутствуют. Таблица 4.1 Физико-механичегкие характеристики элювиального суглинка (площадка В 2 г.Свердловск) Коэффициент постели грунта определялся при вдавливании штампов, вмонтированных в сваю на разной высоте. Учитывая, что размеры поперечных сечений свай, применяемых в строительстве, изменяются от 10x10 см до 40x40 см, были изготовлены металлические сваи со стороной сечения 10, 20 и 30 см, длиной 4.5 м. Опытные сваи изготовлены из двух сваренных между собой швеллеров №№ 10, 20 и 30. С одной стороны у каждой сваи вырезаны отверстия (окна) по всей ширине стенки швеллера, высотой отверстия 10 см, в которые вставлялись металлические пластины-штампы с размерами 10x10 см (F .- Ю0 см ), 10x20 см ( Гшт = 200 см ), 10x30 см (шт.= = 300 см2). Жесткость поперечного сечения свай со стороной 10 см составляла EJ- 0.55.10 кБыг, со стороной 20 см -J = 3.56» Ю3 кНм , а со стороной 30 см - f j = 10.9 Ю3 кНм . Расположение штампов по длине сваи показано на рис. 4.1. На опытных площадках было забито по шесть свай, оснащенных штампами и по две без штампов.
На каждой свае испытания штампов проводили начиная с верхнего, последовательно углубляя узкий шурф. Схема испытаний приведена на рис. 4.2. Для передачи горизонтальной нагрузки на штамп использовался гидравлический домкрат ДГ-І0СП с насосной станцией. Перемещение штампов измерили индикаторами ИЧ-10 с точностью 0.01 мм. Испытание штампов проводили ступенчато возрастающей нагрузкой по ускоренной методике, разработанной НИИпромстроем (время условной стабилизации перемещений принималось равным 0.1 мм за 15 минут наблюдений). Для штампа площадью 100 см ступень нагрузки принималась равной 0,5 кН, для штампов площадью 200 CUT и 300 см - I кН. Испытания прекращались при перемещении штампа на 10 мм, поскольку при испытаниях свай согласно /I, 37, 95/ действительная кривая заменялась прямой, которую проводили через начальную точку графика "нагрузка-перемещение" и точку, соответст ҐОО I - свая, 2 - штамп, З-удтшнитель, 4 - реперное устройство, 5 - динамометр, 6 - домкрат, 7 - подставка, 8 - доска, 9 - насосная станция. вующую перемещению головы сваи в уровне поверхности грунта, равному 10 мм.
Первый цикл испытаний штампов выполняли без приложения горизонтальной нагрузки на сваи, т.е. для Л =0. Затем переходили к испытанию нагруженных свай, горизонтальные перемещения которых в уровне поверхности грунта составляли ДГ=Ю мм и г =20 мм. Для обеспечения таких перемещений в уровне поверхности грунта сваи нагружали постепенно возрастающей нагрузкой в соответствии с ГОСТ 5686-78, Нагрузка, при которой достигалось фиксированное перемещение на 10 или 20 мм, поддерживалась в течение времени,необходимого для испытания штампов на свае.
На площадке № I сваи погружались на глубину 4.2 м, при этом первый штамп находился на глубине 0.4 м ниже поверхности грунта. На площадке В 2 сваи погружались на глубину 3,8 м от поверхности так, чтобы первый штамп находился в уровне поверхности грунта.
Статические испытания металлических свай, не оснащенных штампами, проводили так же, как и испытание железобетонных натурных свай, с целью изучения характера изогнутой оси и положения точки нулевых перемещений при перемещениях сваи Д =10 мм и Д =20 мм в уровне поверхности грунта. Изогнутая ось сваи и положение точки нулевых перемещений при заданных горизонтальных перемещениях устанавливались с помощью заливки гипсовым раствором разного цвета, а на участке от т.н.п. до острия определялись If w с помощью измерителей деформаций. Схема испытаний была принята та же, что и для натурных свай (см. раздел 3.1,).
