Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих проектных решений фундаментов каркасных зданий и сооружений ... 18
1.1. Односвайные фундаменты каркасных зданий и сооружений.. 20
1.1.1. Существующие конструктивные решения односвайных фундаментов 20
1.1.2. Рациональная область применения односвайных фундаментов по технико-экономическим показателям 33
1.2. Обзор и анализ методов расчета односвайных фундаментов на вертикальную нагрузку 38
1.3. Существующие методы определения осадок свай и свайных фундаментов 62
1.4. Методы расчета односвайных фундаментов на горизонтальную нагрузку 73
1.5. Характер изменения коэффициента постели при расчете свай на горизонтальную нагрузку 88
Выводы по главе 1 94
2. Предпосыжи исследований и разработки ме тодов расчета односвайных и вытрамбованных фундаментов 96
2.1. Обоснование теоретической модели расчета вертикально нагруженных фундаментов 96
2.2. Обоснование расчетных схем для разработки методов расчета фундаментов на горизонтальную нагрузку 102
2.3. Использование статического зондирования для расчета фундаментов 111
2.4. Обоснование расчетной схемы определения осадки фундаментов 118
2.4.1. Напряженно-деформированное состояние активной зоны фундаментов 118
2.4.2. Методы определения осадок свайных фундаментов... 124
2.5. Численное моделирование взаимодействия фундаментов с окружающим грунтом 127
2.5.1. Основные допущения и модели, положенные в основу расчета 127
2.5.2. Прогнозирование напряженно-деформированного состояния активной зоны фундаментов 135
Выводы по главе 2 139
3. Экспериментальные исследования односваиных и вытрамбованных фундаментов при действии вертикальной нагрузки 142
3.1 Инженерно-геологические условия опытных площадок 142
3.2. Односвайные фундаменты из свай кольцевого сечения 148
3.2.1. Исследование работы конструкций односвайных фундаментов поэлементно и в целом 151
3.2.2. Напряженно-деформированное состояние вертикально нагруженного односвайного фундамента 159
3.3. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 163
3.3.1. Исследование деформаций грунтового массива вокруг фундамента в процессе его вытрамбовывания 167
3.3.2. Исследование контактных напряжений под нижним торцом фундамента 174
3.3.3. Изучение факторов влияющих на несущую способность фундаментов в вытрамбованных котлованах 178
3.3.4. Назначение предельной осадки по результатам испытаний 181
Выводы по главе 3 185
4. Исследование работы односваиных и вытрамбо ванных фундаментов при действии горизонтальной нагрузки 188
4.1. Исследование горизонтально нагруженных односваиных фундаментов из свай кольцевого сечения 188
4.1.1. Конструкции опытных тензометрических свай и методика проведения испытаний на горизонтальную нагрузку 189
4.1.2. Особенности напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженных односваиных фундаментов 199
4.1.3. Работа составных элементов фундамента при действии горизонтальной нагрузки 206
4.2. Исследование работы горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах 211
4.2.1. Особенности напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах и основания 212
4.2.2. Влияние вертикальной нагрузки на работу горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах 218
Выводы по главе 4 221
5 Расчет односваиных и вытрамбованных фунда ментов на вертикальную нагрузку 223
5.1. Расчет односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения 223
5.1.1. Выбор расчетной схемы 223
5.1.2. Получение расчетных формул 226
5.2. Расчет фундаментов в вытрамбованных котлованах на вертикальную нагрузку 230
5.2.1. Расчетная схема и методика расчета 230
5.2.2. Использование статического зондирования для расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах 237
5.2.3. Контроль несущей способности по технологическим параметрам вытрамбовки 241
5.3. Сравнение результатов расчетов с опытными данными 247
5.3.1. Фундаменты из свай кольцевого сечения 247
5.3.2. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 249
Выводы по главе 5 250
6 Расчет односвайных и вытрамбованных фундаментов на действие горизонтальной нагрузки 253
6.1. Односвайные фундаменты из свай кольцевого сечения 253
6.1.1. Выбор расчетной схемы и метод расчета горизонтально нагруженного односвайного фундамента из свай кольцевого сечения 255
6.1.2. Определение коэффициента постели по данным статического зондирования 257
6.1.3. Учет нелинейности 263
6.2. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 269
6.2.1. Расчетная схема и метод расчета 271
6.2.2. Учет нелинейности работы грунтового основания 276
6.3. Сопоставление расчетных данных с опытными 277
6.3.1. Фундаменты из свай кольцевого сечения 277
6.3.2. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 281
Выводы по главе 6 284
7. Расчет осадок односваиных и вытрамбованных фундаментов 285
7.1. Исследование деформаций грунтового массива вокруг фундамента 285
7.2. Расчет осадок фундаментов 289
7.2.1. Фундаменты из свай кольцевого сечения 290
7.2.2. Фундаменты в вытрамбованных котлованах 292
7.2.3. Сравнение результатов расчета осадки фундаментов 294
Выводы по главе 7 296
8. Практическое внедрение результатов исследований односваиных и вытрамбованных фундаментов 297
8.1. Принципиальные положения проектирования фундаментов.. 297
8.2. Внедрение результатов исследований в практику строительства 303
Выводы по главе 8 312
9. Основные результаты исследований и общие выводы по работе 313
Список литературы 318
Приложения 352
- Обзор и анализ методов расчета односвайных фундаментов на вертикальную нагрузку
- Обоснование расчетных схем для разработки методов расчета фундаментов на горизонтальную нагрузку
- Исследование деформаций грунтового массива вокруг фундамента в процессе его вытрамбовывания
- Исследование работы горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема рационального проектирования фундаментов является одной из актуальных в области фундаментостроения. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых наиболее целесообразным является применение свайных фундаментов. Доля затрат на возведение подземной часі и зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет до 20%.
Ведущие специалисты в области свайного фундаментостроения на Техническом комитете (ТС-18) Международного сообщества по механике грунтов и геотехнике (Гамбург 1997) отмечали, что на рубеже третьего тысячелетия главной задачей перед исследователями является вопрос оптимизации конструктивных решений и проектирования свайных фундаментов по пути снижения их общей стоимости и материалоемкости.
Развитие фундаментостроения направлено по пути разработки новых, экономичных конструкций фундаментов и методов их устройства, обеспечивающих повышение несущей способности грунтов в основаниях; более полного использования несущей способности материала фундаментов; совершенствования узла сопряжения колонн здания с фундаментами без дополнительных элементов; максимального сокращения объема опалубочных и земляных работ при отрывке и обратной засыпке котлована и т.п.
Среди конструкций свай полые круглые сваи и сваи-оболочки (сваи кольцевого сечения - СКС) относятся к рациональным свайным конструкциям, позволяющим наиболее полно использовать несущую способность основания и материала свай. Высокие технико-экономические показатели свай кольцевого сечения, индустриальность их изготовления методом центрифугирования и возможность погружения с открытым нижним концом предопределяют перспективность их применения.
В последние два-три десятилетия в фундаментостроении развивалось направление, в котором сочетались тенденции применения монолитного бетона и искусственно улучшенного основания. В рамках этого направления разработана технология возведения фундаментов путем предварительного уплотнения основания в виде вытрамбовки котлованов глубиной 2-4 м с втрамбовыванием в основание котлована щебня и бетонирования в этом котловане фундамента. Такой фундамент получил название «фундамент в вытрамбованном котловане» (ФВК).
В связи с тем, что кустовые свайные фундаменты с ростверком обладают некоторыми существенными недостатками (ростверк, не являясь несущим по грунту элементом, по объему составляет до 50% от общего объема фундамента; наличие земляных и опалубочных работ), представляет интерес эффективная и прогрессивная конструкция односвайного фундамента под колонны каркасных зданий и сооружений. Основные достоинства односвайного фундамента - отсутствие ростверка, минимальный объем земляных и опалубочных работ, возможность рационального армирования.
При проектировании фундаментов зданий и сооружений часто возникает необходимость расчета на горизонтальные нагрузки. Такие конструкции, как свайные опоры под технологическое оборудование и трубопроводы, одиночные опоры стоечного типа и др., по условиям своей работы требуют точного расчета на действие горизонтальных нагрузок.
Достоверность расчета несущей способности фундаментов, а, следовательно, и эффективность принятых и реализованных проектных решений фундаментов, имеет важное практическое значение. Однако в отечественной и зарубежной практике методика расчета односваиных фундаментов разработана недостаточно. Это объясняется отсутствием в настоящее время комплексных экспериментальных исследований взаимодействия грунта и односвайных фундаментов. Имеющиеся методы определения несущей способности и осадок, рекомендуемые нормативными документами, дают результаты, которые значительно расходятся с экспериментальными данными.
Одной из главнейших причин невысокой надежности всех методов расчета в фундаментостроении является недостаточно высокая точность методов определения характеристик грунта, которые используются в расчетных формулах. Основные требования, предъявляемые к методам определения характеристик грунта - это возможность получения их в условиях естественного залегания грунтов на любой требуемой глубине, допустимая стоимость и высокая скорость их получения. Этим требованиям наилучшим образом отвечает статическое зондирование.
В связи с выше изложенным необходима разработка новых методов расчета односвайных фундаментов из СКС и ФВК, которые наиболее точно отражали бы сложное напряженное состояние грунтового основания. Экспериментально-теоретические исследования изменения несущей способности и развития осадок односвайных фундаментов лежат в основе разработки указанных методов и поэтому являются достаточно актуальными и необходимыми. Использование таких методов при проектировании односвайных фундаментов из СКС и ФВК будет иметь большое научное и народно-хозяйственное значение.
Цель диссертационной работы заключалась в разработке на основе экспериментально-теоретических исследований односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения и фундаментов в вытрамбованных котлованах методов их расчета с использованием статического зондирования и внедрении полученных результатов в практику строительства.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. На основе технико-экономического анализа показать эффективность конструкций односвайных фундаментов из сваи кольцевого сечения в области забивных свай и фундаментов в вытрамбованных котлованах в области монолитных конструкций фундаментов.
2. Провести комплексные экспериментальные исследования взаимодействия грунта с односвайными конструкциями при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок в различных грунтовых условиях, а именно:
а) определить предельное сопротивление натурных односвайных и вытрамбованных фундаментов по данным статических испытаний;
б) выявить характер изменения зависимости «нагрузка-осадка» при действии вертикальной нагрузки;
в) экспериментально выявить закономерности формирования - сопротивления отдельных элементов (поэлементное испытание) при действии вертикальной нагрузки и определить критерии достижения предельного состояния;
г) в глинистых грунтах экспериментально исследовать напряженно- деформированное состояние натурных односвайных и вытрамбованных фундаментов при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок, в том числе при совместном их действии, выявить факторы, обуславливающие формирование сопротивления вертикальной и горизонтальной нагрузкам, и определить критерии предельного состояния системы «фундамент- основание» с последующим выбором модели основания и построением расчетных схем;
д) экспериментально выявить механизм работы односвайных фундаментов по "жесткой" и "гибкой" схемам и разработать методику учега влияния нелинейности деформирования основания при расчетах на горизонтальную нагрузку;
е) определить распределение напряжений и деформаций грунта в активной зоне фундамента.
3. На базе экспериментально полученных основных закономерностей взаимодействия грунта с односвайными фундаментами разработать методику расчета несущей способности односвайных фундаментов на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок с использованием данных статического зондирования грунтов.
4. На основе экспериментально полученных основных закономерностей взаимодействия грунта с односвайными и вытрамбованными фундаментами разработать аналитические методы расчета осадок фундаментов в глинистых грунтах.
5. Разработать методику контроля несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах в ходе производства работ по технологическим параметрам вытрамбовки с использованием данных зондирования грунтов.
6. Разработать рекомендации по проектированию односвайных фундаментов, в том числе с использованием ЭВМ.
7. Осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности и подтверждены результатами наблюдений за работой односвайных и вытрамбованных фундаментов в натурных условиях. В работе использовались современные теоретические методы исследования: аналитический аппарат теории упругости и пластичности, математические методы моделирования и теории планирования экспериментов. В экспериментах использовалась современная электронная аппаратура, тензометрические приборы и оборудование для статического зондирования грунта. Методики экспериментальных и теоретических исследований соответствуют действующим нормам. Анализ полученных результатов отвечает современным требованиям.
Достоверность результатов натурных и теоретических исследований подтверждается большим количеством экспериментов (44 натурных опытных фундаментов, 88 точек статического зондирования), а также практикой проектирования и строительства зданий и сооружений, возведенных на односвайных фундаментах в г.г.Уфе, Тобольске и Челябинске.
Получена хорошая сходимость результатов теоретических исследований и данных натурных испытаний. Несущая способность односвайных фундаментов, полученная расчетным путем, отличается на 7-20% от экспериментальных данных.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые для односвайных и вытрамбованных фундаментов комплексно решены следующие вопросы:
1. В результате проведенного комплекса натурных экспериментов исследована работа односвайного фундамента из свай кольцевого сечения при различных схемах их загружения и получены закономерности формирования несущей способности фундамента.
2. В глинистых грунтах экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние натурных односвайных и вытрамбованных фундаментов при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок, в том числе и при совместном их действии. На базе полученных закономерностей разработаны схемы взаимодействия фундаментов с грунтом и разработаны практические методы расчета таких фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки с использованием данных статического зондирования грунтов.
3. На основе анализа и обобщения, полученных экспериментальным путем закономерностей разработаны новые формулы определения коэффициента постели по данным статического зондирования грунтов при расчете фундаментов на горизонтальную нагрузку.
4. Экспериментально исследовано влияние материала и геометрических размеров свай кольцевого сечения на характер деформаций при действии горизонтальной нагрузки и разработана методика учета влияния нелинейности деформирования основания при расчетах на горизонтальную нагрузку.
5. На базе экспериментально полученных основных закономерностей взаимодействия грунта с односвайными и вытрамбованными фундаментами, разработаны расчетные схемы и аналитические методы расчета осадок односвайных и вытрамбованных фундаментов каркасных зданий и сооружений.
6. Разработан и реализован на практике комплекс программ для автоматизированного расчета односвайных и вытрамбованных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений.
Практическое значение работы. Диссертационная работа является частью комплексных исследований работы свайных фундаментов и фундаментов в вытрамбованных котлованах, проводимых на протяжении ряда лет в отделе оснований и фундаментов института «БашНИИстрой».
Разработаны конструкции односвайных фундаментов из полых круглых свай и свай-оболочек высокой удельной несущей способности, а также методика расчета и проектирования односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения и фундаментов в вытрамбованных котлованах, что позволяет качественно оценить несущую способность односвайных фундаментов и прогнозировать их осадку в глинистых грунтах. Применение этих разработок при строительстве позволяет существенно снизить материалоемкость фундаментов, трудоемкость работ нулевого цикла.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований положены в основу «Рекомендаций по проектированию односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения с насадками и в виде кустов с оптимальным шагом», «Рекомендаций по проектированию свайных фундаментов опор трубопроводов», «Руководства по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах в региональных условиях ТСО Южуралстрой. ВСН 67-263-89» и «Инструкции по проектированию свайных фундаментов для строительства в условиях Республики Башкортостан». Результаты исследований нашли практическое применение при проектировании односвайных фундаментов зданий и сооружений в г.г.Уфе, Тобольске, Челябинске. Реальный экономический эффект от внедрения односвайных и вытрамбованных фундаментов предложенных конструкций составил свыше 18,3 млн.рублей.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на II, III, V и VI Международных конференциях по проблемам свайного фундаментостроения (Пермь, 1990; Минск, 1992; Тюмень, 1996; Уфа, 1998); на III Всесоюзном координационном совещании-семинаре по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1991); на Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995); на И, III Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Полтава, 1995; Одесса, 1997); на Международном конгрессе инженерной геологии (Канада, 1998); Международной конференции по современным проблемам механики грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 2000), Международной конференции по современным проблемам фундаментостроения (Волгоград, 2001), V Международной конференции по геотехнике (Нью Йорк, 2004) и Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004), а также на четырех научных конференциях БашНИИстроя (Уфа, 1983 - 1986).
Конструкции односвайных фундаментов и методы их расчета экспонировались на ВДНХ СССР, где автор работы был награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР.
Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на семинаре в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова (Москва, 2003).
Личный вклад в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах многолетних исследований при непосредственном участии автора, и выполнялись в соответствии с комплексной программой НИР и ОКР «БашНИИстроя» (№№ государственной регистрации 01.870088305, 01.870088304, 01.870088327, 01.880090255, 01.880090258, 01.82504946, 01.87007682), программой Госстроя БАССР «Стройнаука-2000», целевой комплексной научно-технической программой Госстроя СССР ОЦ.031.055.16Ц (задание 06 и 07), а также по хозяйственным договорам с ТСО Южуралстрой (г.Челябинск).
Постановка проблемы, формулирование цели и всех задач, поиск их решения путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, научные разработки и практические рекомендации, анализ полученных результатов и все выводы осуществлены автором.
Экспериментальные исследования проводились с участием сотрудников отдела оснований и фундаментов и группы испытаний БашНИИстроя.
Автор выражает личную глубокую благодарность за научные консультации, помощь в работе и постоянную поддержку доктору технических наук Готману А.Л. и доктору технических наук, профессору Гончарову Б.В., а также сотрудникам отдела оснований и фундаментов БашНИИстроя, оказавших помощь в выполнении исследований.
На защиту выносятся:
1. Анализ исследований работы эффективных конструкций односвайных и вытрамбованных фундаментов в различных грунтовых условиях.
2. Результаты комплексных экспериментальных исследований взаимодействия односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения и в вытрамбованных котлованах с грунтом основания при воздействии вертикальной и горизонтальной нагрузок.
3. Инженерные методы расчета односвайных и вытрамбованных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки в глинистых грунтах с методикой использования статического зондирования.
4. Метод контроля несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах по технологическим параметрам вытрамбовки с применением данных зондирования грунтов.
5. Практические предложения по проектированию односвайных и вытрамбованных фундаментов, в том числе с использованием ЭВМ.
Публикации. Материалы проведенных работ опубликованы в 24 статьях. Результаты исследований защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения и включены в «Рекомендации по проектированию односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения с насадками и в виде кустов с оптимальным шагом», «Рекомендации по проектированию свайных фундаментов опор трубопроводов», «Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах в региональных условиях ТСО Южуралстрой. ВСН 67-263-89» и «Инструкции по проектированию свайных фундаментов для строительства в условиях Республики Башкортостан».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 378 страниц, включая 34 таблицы, 106 иллюстраций, список литературы из 299 наименований и 4 приложения.
Обзор и анализ методов расчета односвайных фундаментов на вертикальную нагрузку
Односвайные фундаменты под колонны каркасных зданий и сооружений характеризуются развитым поперечным сечением и различием формы ствола сваи. Они могут быть полыми и сплошного сечения, постоянного или переменного по длине сечения, устраиваемые забивкой или вытрамбованными в грунте. Все эти конструктивные и технологические особенности предопределяют и их различную работу в грунте.
Полые круглые сваи и сваи-оболочки по условиям своей работы в грунте отличаются от сплошных, так как в передаче нагрузки на основание принимает участие грунт, вошедший в полость сваи при ее забивке.
Работа фундаментов в вытрамбованных котлованах отличается от других типов свай тем, что благодаря наклонным боковым граням формируется дополнительное сопротивление за счет нормального к боковым граням сопротивления грунта.
Подавляющее большинство методов расчета несущей способности свай в мировой практике базируется на теории предельного равновесия, в соответствии с которой грунт в некоторой области на боковой поверхности и под острием сваи находится в предельном состоянии. При этом сопротивление сваи по грунту, как правило, определяется двумя компонентами: сопротивлением трения на боковой поверхности и сопротивлением грунта под острием сваи. Однако методы определения расчетных характеристик грунта отличаются разнообразностью и основаны на большом количестве отличающихся друг от друга физических моделей системы "свая - грунтовое основание".
Броме Б.Б. в 1965 г. [268] на основании экспериментальных исследований Плантемы И.Ж. [289], Нишиды Ж. [287], Кезди [281], Керизеля [280] и др. предложил для определения расчетных характеристик грунта использовать результаты лабораторных испытаний грунта на сдвиг. Для несвязных грунтов трение на боковой поверхности сваи определяется, исходя из расчетной схемы на рис. 1.2 по формуле где Фи - коэффициент трения для поверхности сваи; К0 - коэффициент давления грунта, который зависит от объема на единицу длины сваи в грунте и от относительной плотности грунта; L - длина сваи, м; / - удельный вес грунта, т/м3. Сопротивление под острием определяется, исходя из схемы на рис. 1.3, по общему уравнению Терцаги [296], где Кс, КуиК - коэффициенты формы; Nc, Ny и N - коэффициенты несущей способности, зависящие от угла внутреннего трения окружающего грунта; D - поперечный размер сечения сваи, м; С - сцепление, т/м ; у,Ь-то же, что и в (1.1). Учитывая, что для несвязных грунтов С = 0, а также, что в соответствие с экспериментальными исследованиями коэффициенты Кс,Куи Kq равны 1,3; 0,6 и 1,0 соответственно, уравнение (1.2) упрощается и принимает вид Для связных грунтов трение на боковой поверхности определяется недренированнои прочностью грунта на сдвиг Си , а сопротивление под острием по формуле где Nc - коэффициент, рассчитываемый по теории пластичности. Подробно различные схемы разрушения грунта под острием сваи анализирует Хираяма X. [277]. Со ссылкой на Весича Л.С. он показывает три возможных вида разрушения грунта в области нижнего конца сваи (см.рис.1.4): а) разрушение в результате общего сдвига по определенным поверхностям скольжения; б) разрушение в результате локальных сдвиговых деформаций; в) разрушение в результате сдвига при продавливании сваей грунта. Идея разрушения от общего сдвига реализована в расчетной схеме Меергофа Г.Г. [285], (рис. 1.5), в которой сдвиг происходит по непрерывной поверхности скольжения, начиная от острия сваи до поверхности грунта, описываемой логарифмической спиралью. Исходя из этой схемы, предлагается формула для определения сопротивления под острием сваи где JV - давление вышележащего пласта грунта; 0S - угол сдвига, определяемый по формуле ц, 0 - показаны на расчетной схеме.
Обоснование расчетных схем для разработки методов расчета фундаментов на горизонтальную нагрузку
При разработке метода расчета горизонтально нагруженных односвайных фундаментов в первую очередь возникает проблема выбора расчетной модели основания. Расчетная модель основания должна выбираться с учетом реальных деформационных и прочностных свойств грунтов. В этой области имеется множество различных подходов и точек зрения, зачастую находящихся в противоречии. В настоящее время наибольшее распространение в практике имеют модели упругого линейно деформируемого полупространства и коэффициента постели (винклеровское основание).
Наиболее простой является модель Винклера, нашедшая широкое применение в расчетах балок на грунтовом основании. Осадка штампа пропорциональна нагрузке. Деформации модели вполне упруги и после снятия нагрузки исчезают. Они имеют местный характер, т.е. развиваются непосредственно под штампом, не распространяясь в стороны. Единственным механическим параметром служит коэффициент постели. В отличии от модели Винклера деформации модели Фусса целиком остаточные и после разгрузки сохраняются. Они тоже имеют местный характер; механическим параметром является коэффициент постели, но уже для остаточных деформаций.
Более сложной является модель упругого полупространства. Здесь также деформации прямо пропорциональны нагрузке на штамп, но в отличии от модели Фусса-Винклера они имеют общий характер, т.е. развиваются не только под штампом, но и распространяются за его пределы. Природа этих деформаций упругая, и после снятия нагрузки со штампа они исчезают.
Линейно-деформируемое однородное полупространство отличается от упругого способностью к одновременному развитию упругих и остаточных деформаций. Связь между деформациями и нагрузкой на штамп линейная, но после разгрузки штампа деформации исчезают не полностью: частично они сохраняются как под самим штампом, так и за его пределами.
Наиболее точное решение о совместной работе сваи и грунта могло бы быть найдено на основе теории нелинейной деформируемости грунтов. Однако для оценки взаимодействия сваи с грунтом как упругого стержня, находящегося внутри нелинейно-деформируемой среды, потребовалась бы разработка большого круга специальных теоретических и экспериментальных вопросов, далеко выходящих за рамки поставленной цели о создании практического инженерного метода расчета.
Наибольшее распространение и широкое применение нашла модель местных деформаций (Фусса-Винклера), при использовании которой свая рассматривается как балка на упругом или линейно-деформируемом основании. В этой модели в качестве расчетного параметра грунта принят коэффициент постели Cz, характеризующий степень "отпорности" основания, или в обобщенном виде - прочностные и деформационные свойства грунта.
Эта модель достаточно хорошо и многосторонне проработана математически, имеет замкнутые решения для различных закономерностей изменения коэффициента постели по глубине, она достаточно точно отражает деформационные явления при загружении балок относительно малого постоянного по длине поперечного сечения, например, горизонтально нагруженных свай массового применения (сечением 30x30 см). Поэтому для решения задачи расчета односвайных фундаментов из свай кольцевого сечения целесообразно использовать модель местных деформаций с экспериментальным обоснованием определяющих ее параметров.
Односвайные фундаменты имеют развитое поперечное сечение (не менее 0,9м), обусловленное необходимостью монтажа колонны в верхней части сваи и получения максимально возможно большой несущей способности. Поэтому при действии горизонтальной нагрузки ствол сваи включается в работу на значительную глубину (значительно больше, чем обычные сваи с размером поперечного сечения 30x30см). При большой активной глубине работы сваи неприемлемы схемы с изменением по глубине расчетных параметров грунта по линейной или какой-либо другой непрерывной функциональной зависимости (например, как принято в методике СНиП), а следует учитывать многослойность основания, каждый слой которого обладает своими, отличными друг от друга характеристиками.
Это положение необходимо учесть в расчетной схеме и получить математическое решение с учетом многослойности основания, более точно описывающее работу таких свай на горизонтальную нагрузку.
Для подтверждения правомерности использования в расчетной схеме модели местных деформаций для свай развитого поперечного сечения необходимо экспериментально выявить закономерности деформирования грунта вокруг ствола сваи при ее вдавливании в грунт от действия горизонтальной нагрузки, т.е. получить эпюру перемещения грунта во фронтальной плоскости перед сваей непосредственно и за ее пределами.
Существенным отличием свай пирамидальной формы от свай постоянного по длине сечения является то, что всегда имеется полный контакт боковой поверхности сваи с фунтом по всей ее длине. Так, исследования Холодова СП. [233] показали, что забивная призматическая свая при испытании на горизонтальную нагрузку благодаря наличию щели в верхней части сваи между грунтом и сваей (вследствие "проработки" при забивке) имеет сопротивление в 3 раза меньше, чем свая, у которой эти щели заполнены раствором. У свай пирамидальной формы этого снижения нет и несущая способность грунта реализуется полностью. Эта особенность также является положительным фактором, обеспечивающим повышенную эффективность свай пирамидальной формы и, очевидно, должна учитываться или в расчетной схеме, или при определении расчетных параметров грунта при расчете горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах.
При передаче давлений на грунт в нем возникают остаточные и упругие деформации. Это относится к взаимодействию любых строительных конструкций с грунтовым основанием, в том числе и к свайным фундаментам. Величины остаточных и упругих деформаций, доля каждой из них в общих деформациях среды зависит от очень многих факторов: вида грунта, величин действующих нагрузок, места и характера приложения нагрузок и т.п. Остаточные деформации в основном имеют место по контакту конструкции и грунтового основания.
Исследование деформаций грунтового массива вокруг фундамента в процессе его вытрамбовывания
При вытрамбовывании котлована при падении трамбовки происходит приложение на грунт ударной нагрузки. Динамическая нагрузка передается на содержащиеся в грунте, который является трехфазной системой, твердые частицы (скелет), воду и воздух. При этом в грунте происходят необратимые деформации в виде перемещений его отдельных частиц.
Известно, что процесс вытрамбовывания котлованов в различных грунтах в зависимости от их физико-механических характеристик и формы трамбовки протекает по-разному и состоит из следующих этапов: уплотнение грунта с формированием уплотненной зоны, продавливание уплотненной зоны, вытеснение грунта в стороны, выпор его вверх и в стороны, а также разуплотнение грунта на стенках и дне котлована и его разжижение [123,217]. Обычно отдельные этапы процесса вытрамбовывания котлованов осуществляются одновременно или в определенной последовательности.
Объем вытесненного грунта при вытрамбовывании котлована превышает необходимый объем грунта для создания уплотненной зоны. Вследствие этого образуется избыток вытесненного грунта, который вначале перемещается в стороны, а затем вверх, из-за чего на поверхности вокруг вытрамбовываемого котлована возникает выпор околосвайного грунта.
При вытрамбовывании опытных фундаментов с помощью специальных поверхностных марок, нивелира и рулетки измерялся выпор грунта и горизонтальное его перемещение в уровне поверхности грунта. Вытрамбовывание осуществлялось на всю высоту трамбовки до отметки -2,8 м (I тип трамбовки) и -3,0 м (II тип трамбовки).
Выполненные измерения показали, что в процессе вытрамбовки вокруг скважины на всех площадках происходит выпирание некоторой доли грунтового массива. На рис.3.14-3.19 представлены результаты измерений -высота выпора грунта вокруг трамбовки и зона распространения его в плане при различной глубине погружения трамбовки на площадках № 5,7 и 8.
Как видно из рис.3.14-3.19, процесс выпирания грунта протекает равномерно - с увеличением глубины погружения трамбовки увеличивается объем вытесненного на поверхность грунта. По размерам призмы выпирания грунта был вычислен ее объем и сопоставлен с объемом погруженной части трамбовки. Результаты измерений и вычислений сведены в таблицу 3.6. На основании выполненных замеров выпора грунта в процессе вытрамбовывания фундаментов можно сделать следующие выводы. При вытрамбовывании котлованов возникают деформации грунта, которые при втрамбовывании щебня объемом 0,5-1,5 м3 увеличиваются незначительно, в среднем на 10-15% и распространяются в плане с затуханием до нуля на 3-4d, где d - размер верхнего сечения фундамента.
Доля вытесненного на поверхность грунта составила от 20% на площадке № 7 (фундамент № 43) до 96% на площадке № 8 (фундамент № 44).
Известно, что объем выпора зависит от объемной массы скелета грунта ра и от коэффициента пористости е\ чем больше pd , тем больше объем призмы выпирания и чем больше коэффициент пористости е, тем меньше объем выпора грунта. Анализ данных таблицы 3.7 показывает, что закономерности изменения объема выпора от объемной массы скелета грунта pd и от коэффициента пористости е в данном случае не наблюдается.
При вытрамбовывании опытных фундаментов и втрамбовывании жесткого материала (щебня) нивелированием определялось понижение дна котлована или поверхности засыпанного в него щебня. На рис.3.14-3.19 приведены зависимости понижения дна котлованов от числа ударов трамбовкой. Первые ветви графиков характеризуют вытрамбовывание, а последующие с подъемами и спадами - подсыпку и втрамбовывание щебня. Как правило, на втрамбовывание первой порции щебня с определенным понижением ее поверхности требовалось примерно столько же ударов, сколько на такое же понижение дна котлована в процессе его вытрамбовывания, о чем свидетельствует параллельность соответствующих ветвей графиков. Величины объемов порций втрамбованного щебня по каждому рассматриваемому фундаменту приведены в таблице 3.6.
При выпирании вверх грунт разрыхляется, нарушается его контакт с боковой поверхностью и, как следствие, уменьшаются контактные напряжения. При этом в прилагаемом к котловану грунте разрушаются структурные связи, и снижается сопротивляемость грунта под нагрузкой. При втрамбовывании жесткого материала (в данном случае щебня) основание улучшается, возникает уширенная зона.
Явление разрыхления грунта на контакте с боковой поверхностью было отмечено и для призматических забивных свай. Так, Menard [286] с помощью полевого прессиометра установил, что прочностные характеристики грунта на контакте и непосредственно вблизи сваи в 1,5-2,5 раза меньше, чем на расстоянии 1,5 , 2 и 3 диаметра сваи. Однако поведение грунта вокруг трамбовки при ее забивке несколько отличается от призматической сваи. При погружении трамбовки, имеющей пирамидальную форму, происходит постоянное перемещение частиц грунта в направлении, перпендикулярном к боковой поверхности по всей длине трамбовки, поэтому верхние слои грунта, как меньше пригруженные, выпираются вверх, а нижние уплотняются. При зондировании же грунт вокруг зонда на глубине больше «критической» не разрыхляется, а наоборот, уплотняется, так как сечение зонда значительно меньше, чем сечение сваи, а следовательно, и больше относительное заглубление в грунт. Исследованиями Г.С. Колесника [114] было установлено, что в глинистых грунтах «критическая» глубина при зондировании составляет примерно 8 диаметров зонда, поэтому можно считать, что при зондировании зонд всегда находится на глубине больше «критической» и выпирание грунта в отличие от сваи не происходит.
Из вышеизложенного следует, что выпирание и связанное с ним разрыхление грунта при вытрамбовке скважины, несмотря на пирамидальность трамбовки, обуславливающую обжатие грунта боковыми гранями при осадке от нагрузки, приводит к снижению сопротивления грунта на боковой поверхности фундамента. Поэтому использование данных статического зондирования грунтов для расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах возможно лишь с введением поправочных коэффициентов, в той или иной степени учитывающих особенности работы фундаментов в вытрамбованных котлованах.
Исследование работы горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах
В задачи экспериментальных исследований горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах входило: - изучение особенностей напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженного фундамента в грунте и грунтового основания; - определение закономерностей возникновения и развития усилий в фундаменте и контактных напряжений на боковой поверхности фундамента в зависимости от действующей горизонтальной нагрузки; - выявление влияния уширения в уровне нижнего торца фундамента на работу горизонтально нагруженного фундамента; - оценка влияния вертикальной нагрузки на работу фундамента. Эксперименты проводились на натурных фундаментах в полевых условиях на трех опытных площадках. Всего было испытано при действии горизонтальной нагрузки 14 фундаментов, один из фундаментов (№ 38) был оснащен мессдозами давления. Два фундамента (№ 39 и 41) испытывались на горизонтальную нагрузку с вертикальным пригрузом. Описание инженерно-геологических условий опытных площадок дано выше в 3.1. Основные характеристики опытных фундаментов и данные об оснащении их измерительными приборами приведены в табл.4.4. Горизонтальная нагрузка при испытаниях прикладывалась ступенями, равными 1/10 от предполагаемой несущей способности фундамента, причем каждая последующая ступень прикладывалась после стабилизации горизонтального перемещения в уровне поверхности грунта от предшествующей ступени нагрузки. За критерий стабилизации принималось изменение горизонтального перемещения не более чем на 0,1 мм за последние 15 мин. Фундаменты в вытрамбованных котлованах отличаются от других подобных конструкций фундаментов тем, что в забой скважины втрамбовывается порциями щебень. При этом щебень перемешивается с грунтом и образуется уширение в виде уплотненной грунтощебенистой массы. Прочность этого уширения выше грунта, даже в уплотненном состоянии, но все же меньше прочности бетона. После бетонирования фундамента железобетонная часть его как бы сливается с уширением, не будучи соединенным с ним жестко.
Поэтому для выявления расчетной схемы необходимо экспериментально определить характер деформирования таких фундаментов при действии горизонтальной нагрузки и оценить роль уширения как фактора влияющего на сопротивление фундамента горизонтальной нагрузке. Результаты статических испытаний опытных фундаментов представлены в виде графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение» (рис.4.14). С целью определения влияния объема втрамбованного щебня на несущую способность фундаментов в вытрамбованных котлованах были выполнены испытания с различным объемом втрамбованного щебня. Анализ результатов показывает, что с увеличением объема втрамбованного щебня сопротивление ФВК возрастает. Так, по приведенным в табл.4.4 результатам испытаний втрамбовывание в дно котлована щебня объемом до 1,5 м приводит к повышению несущей способности фундамента на 88-175%. Рассматривая несущую способность фундаментов в вытрамбованных котлованах (за несущую способность условно принята горизонтальная нагрузка, действующая на фундамент и вызвавшая перемещение фундамента, равное 10 мм) на горизонтальную нагрузку в зависимости от объема втрамбованного щебня (рис.4.15), видно, что с увеличением объема втрамбованного щебня, растет несущая способность фундаментов на горизонтальную нагрузку. Аппроксимируя методом наименьших квадратов, была получена эмпирическая формула определения несущей способности фундаментов на горизонтальную нагрузку (Н0) в зависимости от объема втрамбованного щебня (щ) Полученная зависимость (4.1) относится к одному типоразмеру фундамента (тип трамбовки I) для данных грунтовых условий (площадка № 5), и для получения общей картины работы фундамента в вытрамбованных котлованах на горизонтальную нагрузку необходимо иметь данные по большему числу испытаний фундаментов в различных грунтовых условиях. При статических испытаниях фундаментов на горизонтальную нагрузку горизонтальные перемещения измерялись как в уровне поверхности грунта, так и на высоте 1 м, что позволило определить угол поворота фундамента. Приняв фундамент как абсолютно жесткое тело, по полученным горизонтальным перемещениям в уровне поверхности грунта и углу поворота опытных фундаментов была определена глубина расположения так называемой точки нулевых перемещений (т.н.п.) (см. табл.4.4). Без втрамбованного щебня т.н.п. располагается на глубине в среднем 1,4 м, при втрамбованном щебне в объеме 0,5 м - 1,4 м; 1,0 м - 1,7 м; 1,5 м - 2,3 м, т. е. с увеличением объема втрамбованного щебня т.н.п. приближается к подошве фундамента. Очевидно, наличие втрамбованного щебня создает в области подошвы фундамента зону повышенной прочности, что препятствует горизонтальному смещению подошвы ФВК при его повороте от действия горизонтальной нагрузки, что является определяющим фактором и должно быть учтено в расчетной схеме как граничное условие. Зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» имеют ярко выраженный нелинейный характер. Линейная часть зависимостей наблюдается только при перемещениях в уровне поверхности грунта до 2-3 мм. При этом стабилизация перемещений имеет место в достаточно большом диапазоне перемещений (до 24-28 мм), т. е. значительно больших, чем допускается нормами. Вместе с тем из-за больших поперечных размеров фундамента и наличия армирования практически невозможен его изгиб, т.е. фундамент работает как «жесткий», поворачиваясь в грунте без изгиба. Из этого следует, что нелинейность графика «нагрузка-перемещение» проявляется только за счет нелинейной работы грунтового основания.
