Введение к работе
Актуальность исследований. Для решения задач по освоению Арктики требуется строительство и реконструкция различных сооружений, в том числе гидротехнических, на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей, которые характеризуются сплошным распространением отрицательно температурных засоленных осадочных толщ. При строительстве сооружений в Арктике широко применяются сваи. Для обоснования строительства свайных фундаментов требуется эффективное производство сваебойных работ и правильная оценка несущей способности грунтов оснований. Опыт сваебойных работ на территории России, США и Канады свидетельствует о принципиальной возможности устройства свайных фундаментов способом забивки в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов. Забивка может быть реализована с помощью метода погружения свай вдавливанием. Однако в литературе практически отсутствуют теоретические разработки и количественные характеристики процесса погружения свай в мерзлые грунты, поэтому требуется разработка методики для расчета процесса погружения свай. Известно, что сваи, погруженные способом забивки в пластично-мерзлые грунты, обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью, рассчитанной по нормативным документам для этого же вида грунта. Однако, до настоящего времени, как в отечественной, так в зарубежной литературе, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики грунтов при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги.
Проблемы производства сваебойных работ и определения несущей способности свай в условиях мерзлых засоленных грунтов определяют актуальность цели диссертации, которой являлось обоснование строительства свайных фундаментов, в том числе морских гидротехнических сооружений, в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:
создание методики определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, экспериментальное определение параметров для расчетов;
экспериментальное определение физико-механических характеристик мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений, необходимых для расчетов несущей способности свайных фундаментов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов подбора оборудования для погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.
Выполнить анализ достаточности информации о свойствах грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.
Разработать и обосновать методику определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, обосновать параметры, необходимые для расчетной методики.
Разработать программу экспериментальных исследований для получения недостающих физико-механических параметров грунтов.
Осуществить экспериментальные и теоретические исследования грунтов и установить требуемые для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах физико-механические характеристики.
Произвести расчеты оснований в соответствии с предложенной методикой и выявить основные факторы, влияющие на процесс погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.
Для расчета несущей способности оснований на основе экспериментальных данных получить длительные значения деформационно-прочностных характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.
Научная новизна
Предложено обоснование строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах на основе методики расчета усилий при погружении свай и данных для оценки несущей способности грунтов.
Впервые определено существенное влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, и даны рекомендации по оптимизации технологии задавливания свай при строительстве фундаментов.
Для обоснования и оптимизации производства работ при строительстве свайных фундаментов впервые на оригинальном оборудовании проведены исследования пластично-мерзлых и охлажденных грунтов в условиях трехосного сжатия с высокой скоростью деформирования.
На уникальном оборудовании проведены исследования мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений методом вдавливания сферического штампа.
Исследована несущая способность оснований, представленных пластично-мерзлыми и охлажденными грунтами в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей.
Достоверность результатов расчетов усилий для погружения свай вдавливанием обеспечивается использованием стандартного приема сложения динамического лобового сопротивления свай и сопротивления трению по боковой поверхности. При этом предполагается, что лобовое сопротивление оказывает мерзлый грунт, а боковое происходит по талому грунту. При определении динамического лобового сопротивления использовались стандартные методики и формула СНиП 2.02.04-88. Определение свойств грунтов, необходимых для расчета несущей способности свай проведено по стандартизированным методикам, рекомендованным СНиП
2.02.04-88 и изложенным в ГОСТ 12248-96. Полученные результаты обработки опытов не противоречат экстраполяции известных значений в исследованную область температур и засоленностей. Практическая значимость работы
Для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах разработана методика расчета погружения свай методом вдавливания.
Для предложенной методики получены расчетные характеристики мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.
Проведенные исследования трехосного сжатия позволяют оптимизировать производство сваебойных работ и создают основу для разработки математической модели деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.
Для обоснования возведения свайных фундаментов расширена область оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей, которые могут быть использованы при строительстве морских гидротехнических сооружений и для уточнения СНиП.
Личный вклад автора
1. Автором осуществлены постановка целей, задач, формулировка
необходимости изучения ряда факторов, влияющих на исследуемые явле
ния, проведены исследования, сформулированы защищаемые положения.
Проведен сбор, анализ и обобщение основных литературных данных и авторских рекомендаций о производстве сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов и систематизация механических свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.
Автором лично разработана методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, выявлены параметры грунтов, необходимые для обоснования строительства свайных фундаментов.
В ходе выполнения диссертационной работы автор усовершенствовал методики подготовки и испытаний образцов с использованием оригинального оборудования, получил требуемые деформационно-прочностные параметры пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.
Автором сформулированы и обоснованы предложения по оптимизации процесса погружения свай для строительства фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.
Проведение и обработка экспериментальных данных осуществлялись в Университетском Центре на Свальбарде (UNIS) с участием ряда сотрудников, которым автор выражает искреннюю благодарность.
Апробация работы
Основные защищаемые положения диссертации апробированы на XXXVI, XXXVII, XXXVIII Неделях науки СПбГПУ: Материалы Всерос-
сийских межвузовских научно-технических конференций студентов и аспирантов, Санкт-Петербург (2007, 2008, 2009), тезисы докладов отмечены дипломами конференций; на 9-ой Международной конференции и выставке по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ RAO/CIS Offshore 2009 Санкт-Петербург (2009) статья доклада «Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей» отмечена дипломом конференции; на 5-ой Норвежско-российской арктической шельфовой конференции «Совместные исследования и инновации для нефтегазовой промышленности в Арктике», г. Мурманск (2010).
Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в трех по перечню ВАК.
Структура и объем работы
