Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сваи и свайные фундаменты 14
1.1. Общие сведения о сваях и свайных фундаментах 14
1.2. Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов 25
1.3. Повышение несущей способности набивных свай за счет технологии их устройства 28
1.4. Расчет несущей способности свай на вертикальную вдавливающую нагрузку 38
1.4.1. Методы расчета несущей способности вертикально нагруженных свай 39
1.4.2. Определение несущей способности свай по результатам полевых испытаний статической нагрузкой 51
Глава 2. Повышение несущей способности набивной свай за счет создания предварительного напряженного состояния грунта вдоль ее боковой поверхности по технологии «Песконасос» 56
2.1. Технология «Песконасос» и ее использование для устройства набивных свай 56
2.2. Изготовление набивных свай по технологии «Песконасос» 64
2.3. Аналитическое обоснование практической возможности устройства набивных свай с использованием технологии «Песконасос» 69
Глава 3. Экспериментальные исследования работы набивных свай, выполненных по технологии «Песконасос» 81
3.1. Лабораторные исследования 81
3.2. Полевые исследования устройства и работы свай, выполненных по технологии «Песконасос» 87
Глава 4. Численный расчет системы «свая-окружающий грунт» 93
4.1. Теоретические основы численного моделирования взаимодействия сваи с окружающим массивом 93
4.2. Программный комплекс PLAXIS 98
4.3. Выбор расчетной модели грунта 101
4.4. Допустимая погрешность (Tolerated error) 109
4.5. Тестовые задачи 111
4.5.1. Жесткий фундамент на поверхности полупространства 111
4.5.2. Проверка действия программы Plaxis 3D Foundation при моделировании взаимодействия одиночной сваи с окружающим грунтом 116
4.5.3. Влияние учета работы контактного элемента на несущую способность буронабивных свай 118
4.6. Моделирование работы буровых свай, выполненных по технологии «Песконасос», и его результаты 120
4.6.1. Результаты расчета одиночной вертикально нагруженной буровой сваи, изготовленной по технологии «Песконасос» 122
4.6.2. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния грунта вокруг буровой сваи, изготовленной по технологии «Песконасос» 130
Глава 5. Расчет несущей способности по грунту одиночных буровых свай, изготовленных по технологии «Песконасос» 136
5.1. Практический метод оценки несущей способности по грунту одиночной буровой сваи, изготовленной по технологии «Песконасос» 136
5.2. Численный метод оценки несущей способности по грунту одиночной буровой сваи, изготовленной по технологии «Песконасос» 138
Основные выводы 141
Список литературы 145
- Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов
- Аналитическое обоснование практической возможности устройства набивных свай с использованием технологии «Песконасос»
- Полевые исследования устройства и работы свай, выполненных по технологии «Песконасос»
- Проверка действия программы Plaxis 3D Foundation при моделировании взаимодействия одиночной сваи с окружающим грунтом
Введение к работе
Проблема рационального проектирования фундаментов является одной из актуальных в области современного фундаментостроения. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве на слабых грунтах, которые часто встречаются в Иране и в которых наиболее целесообразно применение свайных фундаментов. Доля затрат на возведение фундаментов зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет 20 и более процентов. Учитывая интенсивное освоение и развитие индустриальных зон в Иране, инфраструктура которых базируется на строительстве высотных зданий и сооружений, актуальность проблемы улучшения качества и стоимости возведения фундаментов на базе использования новых научно-обоснованных технологий устройства свай и совершенствования методов их расчета, становится очевидной.
Вопросы повышения эффективности применения свайных фундаментов в настоящее время решаются, в основном, по двум направлениям: совершенствование конструктивных решений свайных фундаментов, включая и разработку новых типов свай, и совершенствование методов их расчета.
Совершенствование конструктивных решений фундаментов направлено по пути разработки новых экономичных и надежных конструкций фундаментов и методов их устройства, обеспечивающих повышение несущей способности грунтов в их основании. В связи с этим актуальной является техническая задача существенного повышения несущей способности буровой сваи по грунту за счет изменения его напряженно-деформированного состояния грунта («упрочнения» грунта), окружающего ствол сваи. В настоящее время эта задача достаточно успешно решается с использованием различных технологий, сводящих к минимуму динамическое воздействие на грунты основания при образовании ствола сваи, что важно при строительстве в стесненных городских условиях - буронабивные, буроинъекционные, сваи - РИТ. Одна 6
ко не получен результат универсального характера для рекомендации одного из методов повышения несущей способности буровой сваи применительно к различным инженерно-геологическим условиям грунтового основания, в связи с чем необходим поиск новых технологий устройства буровых свай, приводящих к уплотнению окружающего ствол сваи грунта. На наш взгляд, для этого актуальным является расширение арсенала технологических средств повышения несущей способности буровой сваи в таких направлениях, как:
- повышение обжатия стенок скважины в радиальном направлении при строго адресном, хорошо управляемом и контролируемом технологическом процессе;
- организация процесса изменения напряженно-деформируемого состояния основания при управляемом темпе изменения напряжений (особенно важно для водонасыщенных грунтов);
- организация процесса изменения напряженно-деформированного состояния грунта вокруг ствола сваи в режиме нагрузка-разгрузка с многократной повторяемостью для гарантии необратимости достигнутого положительного эффекта «упрочнения».
Указанным условиям удовлетворяет технология, получившая название «Песконасос», существо которой заключается в том, что в стенки предварительно пробуренной скважины в радиальном направлении под высоким давлением впрессовывается сыпучий материал. Следствием впрессовывания является увеличение модуля деформации в значительном объеме области грунта вокруг рассматриваемой вертикали, а также увеличение предельного сопротивления сдвигу. Этому должно отвечать увеличение несущей способности основания сваи при расчете как в терминах допускаемой деформации, так и предельного равновесия состояния свая - грунт.
Эффективность технологии «Песконасос» применительно к различным задачам фундаментостроения (повышение расчетного сопротивления несущего слоя фундаментов мелкого заложения, корректировка контактных напряжений тяжело нагруженных фундаментных плит и др.) была неоднократно проверена на практике. В настоящей диссертации одним из вопросов является оценка эффективности применения технологии «Песконасос» с целью повышения несущей способности буровой сваи.
Совершенствование методов расчета свайных фундаментов, включая и инженерные методы, направлено на получение математических зависимостей, связывающих параметры сваи, метод ее устройства и физико-механические характеристики вмещающей ее грунтовой среды и адекватно и устойчиво прогнозирующих поведение сваи при различных видах ее нагру-жения.
Здесь особая роль принадлежит инженерным методам. Необходимость и актуальность развития инженерных подходов объясняется тем, что при разработке методов расчета свай приходится учитывать ряд специфических особенностей их работы, таких как глубина приложения нагрузки, неопределенность в закономерности ее распределения по длине и под нижним концом сваи, изменения свойств грунтов, вызванные погружением или устройством свай, и др. Отразить все это в строгом математическом решении практически не представляется возможным, а введение в расчетную схему и систему базовых уравнений многих упрощающих допущений приводит к существенной потере точности расчета, что не оправдывает его сложность. В этой ситуации, как показала практика, вполне оправданным является разработка инженерных методов расчета, когда установленные опытным путем функциональные зависимости, устойчиво отражающие влияние того или иного фактора или их сочетаний на работу сваи, используются для прогноза ее поведения под нагрузкой. Такой подход к решению сложнейших проблем взаимодействия свай с грунтовым основанием при различных способах их нагруже-ния позволяет существенно упростить расчет, обеспечив при этом приемлемую для решения инженерных задач точность, и широко используется на практике. Эта точка зрения нашла свое отражение и в СП 50-102-2003. Свайные фундаменты, согласно которым несущая способность сваи в свайном фундаменте определяется так называемым среди проектировщиков «практическим» методом, т.е. с использованием соответствующих таблиц.
Из вышесказанного формулируется следующая основная цель диссертационной работы.
Цель диссертационной работы:
Оценка и теоретическое обоснование эффективности использования технологии преобразования механических свойств грунта в околосвайном пространстве (технология «Песконасос») при решении задачи повышения несущей способности буровых свай по грунту; обобщение данных физического и численного эксперимента для обоснования инженерного метода расчета несущей способности буровой сваи с учетом выполненного преобразования механических свойств окружающего ее массива грунта.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
- проведены полевые и лабораторные экспериментальные исследования, подтвердившие возможность и эффективность уплотнения грунтов, взаимодействующих с боковой поверхностью буровой свай, выполненной с использованием технологии «Песконасос»;
- проведен лабораторный эксперимент для определения закономерностей изменения модуля деформации грунта в радиальном направлении при различных значениях давления впрессовывания сыпучего материала;
- аналитически обоснована практическая возможность устройства набивных свай с использованием технологии «Песконасос»;
- экспериментально подтверждена возможность регулирования размеров зоны уплотненного грунта с заданными свойствами вокруг буровых свай; выполненной по технологии «Песконасос»; - разработана методика регулирования размеров зоны уплотненного грунта вокруг буровой сваи, а также методика определения характеристик грунтового массива в уплотненной зоне;
- проведено численное трехмерное моделирование взаимодействия одиночных буровых свай с окружающим грунтовым массивом с последующим построением изолиний компонентов напряжений, перемещений и зависимостей осадка-нагрузка, которое подтвердило возможность существенного увеличения несущей способности сваи (до 2-х раз), созданной с использованием технологии «Песконасос», по сравнению с несущей способностью буровой сваи, выполненной обычным методом;
- разработана методика учета уплотнения грунта вдоль боковой поверхности буровой сваи при определении ее несущей способности на вертикальную нагрузку.
Научная новизна исследований заключается в следующем.
1. В результате анализа данных о несущей способности забивных и буровых свай по грунту, полученных с использованием классических представлений теории предельного равновесия, подтверждена механическая природа снижения несущей способности буровой сваи; установлены интервалы необходимого обжатия стенок скважины при впрессовывании сыпучего материала с целью повышения несущей способности буровой сваи до значений, характерных для забивной сваи.
2. В результате численного эксперимента в линейной постановке установлено:
- масштаб влияния неоднородности окружающего сваю грунта (как результат его обжатия в радиальном направлении) соответствует масштабу изменения несущей способности сваи;
- СНиП 2.02.03-85 принято верное значение коэффициента = 0,2 (коэффициент перехода от предельного значения средней осадки проектируемого здания или сооружения к осадке одиночной сваи). При рекомендованном СНиП значении и С результаты расчетов на основе решения задачи средствами теории предельного равновесия и численного расчета находятся в удовлетворительном соответствии.
3. Результаты численного расчета несущей способности буровой сваи как при однородном, так и преобразованном основании в нелинейно-упругой постановке при критерии предельного состояния по теории Мора-Кулона приводят к заниженной оценке несущей способности сваи по грунту; масштаб влияния неоднородности также не соответствует экспериментальным данным. Вопрос адекватности уравнения состояния реальному механическому поведению грунта при сложном напряженно-деформированном состоянии (применительно к рассмотренной краевой задаче), таким образом, остается в настоящее время открытым.
Практическое значение работы.
1. Разработана методика расчета параметров производственного процесса упрочнения основания с целью достижения задаваемой меры повышения несущей способности буровой сваи по грунту.
2. Применение разработанной методики уплотнения грунтов при устройстве набивных свай позволяет практически вдвое увеличить несущую способность их боковой поверхности, в результате чего снижается стоимость фундамента за счет сокращения числа свай в нем и уменьшения размеров ростверка. В среднем, как показали расчеты, это приводит к сокращению расхода материалов на фундамент на 10-12%.
3. Предложенная инженерная методика определения несущей способности вертикально нагруженной набивной сваи в уплотненном по технологии «Песконасос» основании, представлена в привычном для проектировщиков виде (формула 7.11 СП 50-102-2003) с использованием коэффициентов условий работы грунта на боковой поверхности сваи, рекомендуемых в диссертационной работе. 4. Раскрыты перспективы усовершенствования конструктивных решений буровых свай в сочетании с методом преобразования свойств основания - сближение несущей способности свай по грунту и по материалу, буровые сваи в слабых водонасыщенных грунтах, сваи с уширенной пятой при восприятии выдергивающих нагрузок и др.
В целом настоящая работа расширяет и дополняет имеющиеся возможности улучшения строительных свойств грунтов, взаимодействующих с боковой поверхностью набивных свай, что приводит к повышению их несущей способности. Результаты этой работы будут способствовать еще более широкому внедрению свайных фундаментов в практику строительства, повышая экономичность и надежность принимаемых технических и проектных решений как в России, так и в Иране.
Достоверность результатов исследований, а также сформулированных в работе научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена тем, что использованы положения и классические решения теории предельного равновесия грунтов, данные по определению несущей способности свай, рекомендуемые СНиП, данные сопоставления результатов расчета и проведенных экспериментов.
Личный вклад автора состоит:
- в развитии идеи использования классических решений теории предельного состояния грунтового основания при анализе конкретной задачи о несущей способности основания буровой сваи;
- в анализе данных расчета несущей способности буровой и забивной сваи и разработке на этой основе предлагаемой методики расчета характеристик упрочненного основания;
- в анализе данных численного решения задачи о несущей способности сваи в линейной и упругопластической постановке; - в развитии инженерного метода СНиП на расчет буровых свай, изготовленных с использованием технологии «Песконасос».
Реализация работы. Результаты выполненной работы могут быть использованы для существенного увеличения несущей способности буровых свай, устраиваемых в слабых грунтах, а также для уплотнения грунтов в основании фундаментов мелкого заложения. Кроме того, они могут быть использованы в практике научно-исследовательских работ, выполняемых в учебных, проектных и научно-исследовательских учреждениях, а также автором диссертационной работы в своей научной и педагогической деятельности в Иране.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований несущей способности буровой сваи по грунту, упрочненному за счет изменения напряженно-деформированного состояния по технологии «Песконасос».
2. Методика расчета параметров упрочнения грунтового основания при заданном увеличении несущей способности буровой сваи.
3. Инженерный метод расчета несущей способности по грунту вертикально нагруженной набивной сваи, изготовленной с использованием технологии «Песконасос».
Публикации по результатам исследований.
1. Крыжановский А.Л., Рубцов И.В., Рубцов О.И. , Негахдар М.Р. Технология «Песконасос» аргументы и факты». Журнал ПГС. 12/2007г.
2. Знаменский В.В., Крыжановский А.Л., Негахдар М.Р., Рубцов О.И. «Повышение несущей способности буровой сваи при радиальном обжатии стенок скважины по технологии «Песконасос». М., Вестник МГСУ, 2/2008г. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций и содержит 154 страниц, в том числе 65 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 100 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов Московского государственного строительного университета (МГСУ) в период обучения в аспирантуре в 2004-08 гг. под руководством профессора, доктора технических наук В.В.Знаменского.
Автор диссертационной работы искренне благодарит заведующего кафедрой МГрОиФ заслуженного деятеля РФ профессора, д.т.н. Завена Григорьевича Тер-Мартиросяна за постоянное внимание и поддержку, профессора кафедры Александра Леопольдовича Крыжановского за помощь во время работы над диссертацией, а также сотрудников кафедры и лаборатории «НИиППЛ ПиК» МГСУ за участие и доброжелательное отношение.
Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов
Погружение свай в результате забивки или вдавливания вызывает нарушение структуры окружающего грунта. Это явление существенно сказывается на несущей способности сваи и поэтому рассматривается во многих экспериментальных работах.
По опытным данным С.Я.Боженкова, А.А.Бирюкова, В.Н.Голубкова, А.А.Луги, Б.И. Далматова и многих других исследователей как в нашей стране, так и за рубежом, процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фундаментов, зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения и изготовления свай и т.п. Так, сплошная свая при погружении вытесняет объем грунта, равный ее объему, в результате чего грунт около сваи уплотняется, а часть его вытесняется вверх, вызывая подъем поверхности грунта вокруг нее. В рыхлых песках и песках средней плотности, а также в ненасыщенных водой глинистых грунтах, уплотнение которых протекает быстро, перемещение грунта вверх незначительно и приводит лишь к небольшому подъему его поверхности. В водонасыщенных глинах и суглинках уплотнение происходит только в результате отжима воды из пор грунта и, поскольку этот процесс протекает медленно, за время погружения свай грунт не успевает уплотняться и большая его часть вытесняется вверх, что сопровождается значительным подъемом поверхности грунта в пределах свайного поля (рис. 1.9).
Как показали многочисленные эксперименты (Б.В.Бахолдина, Р.М.Нарбута, Э.Толмачева, А.А.Григорян, А.А.Бартоломея, В.В. Знаменского и др.) зона уплотнения грунта вокруг забивных свай имеет радиус порядка трех диаметров сваи. Откопка опытных свай показала, что эта зона неоднородна: непосредственно около сваи грунт имеет нарушенную структуру и сильно уплотнен, по мере удаления от сваи структура и плотность грунта приближаются к естественной. Под нижним концом сваи зона уплотненного грунта имеет форму, близкую к сферической, и распространяется на глубину до 3...4 диаметров сваи. Если по проекту нижние концы сваи забиваются в плотные пески, то, как показали опыты Х.Кишиды (Япония) и А.В.Пилягина, наблюдается обратное явление - разуплотнение грунта.
В случае свай, изготовленных на месте, процессы, происходящие в грунте, зависят от применяемой технологии. Если при устройстве скважины используется бурение, это не приводит к изменению плотности и структуры грунта вокруг сваи. Если же скважина формируется внедрением инвентарной трубы или каким-либо другим способом, сопровождающимся отжатием грунта в стороны, то характер деформации грунта вокруг сваи будет примерно таким же, как и вокруг сплошной сваи.
Следствием различия в процессах, происходящих в грунтах при погружении готовых свай и изготовлении буровых является широко известный негативный факт меньшей несущей способности буронабивной сваи в сопоставлении с несущей способностью забивной при одинаковых размерах и свойствах окружающего грунта до 2-х и более раз. Применительно к однородному основанию на рис. 1.10 приведено соотношение несущей способности буровой (Fda) и забивной () свай. Несущая способность свай определена в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. Рассмотрены сваи длиной L=5 и 10м, диаметром 33 и 40 см в песках средней крупности средней плотности маловлажных. Полученные численные значения Fd подтверждают факт большого различия в несущей способности таких свай.
Механическая природа увеличения несущей способности забивной сваи хорошо известна и заключается в механизме упрочнения грунта при забивке сваи примерно, как об этом сказано выше, в радиусе 3d от ее боковой поверхности. При выполнении буровой сваи подобного упрочнения (как автоматически сопровождающего технологический процесс) нет. Неупрочнен-ному окружающему грунту соответствует и меньшая несущая способность сваи.
Факт меньшей несущей способности буронабивных свай по сравнению с забивными при одинаковых размерах свай и свойствах окружающего грунта явился одной из причин поиска технологий их устройства, сопровождающихся уплотнением (упрочнением) окружающего грунта. К одной их таких технологий относится технология устройства буроинъекционных свай.
Буроинъекционные сваи - это особая разновидность буронабивных свай, которые отличаются малым диаметром (d= 80...350 мм), большой гибкостью (L/d= 80... 120), материалом ствола (мелкозернистый бетон) и способом изготовления (инъекция бетонной смеси в скважину). Они устраиваются путем заполнения вертикальных или наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается неровная, ребристая поверхность сваи, обеспечивающая ее хорошее сцепление с окружающим грунтом. Малый диаметр при большой длине (до 30 м) и неровность поверхности придают этим сваям сходство с корнями деревьев, поэтому их еще называют корневидными сваями. Их используют при строительстве новых сооружений, для усиления фундаментов существующих зданий, создания свайных стен в грунте или в качестве анкеров при испытаниях свай вертикальной статической нагрузкой. Технологической особенностью таких свай при усилении фундаментов является то, что скважины бурят прямо сквозь старую кладку, в которую заделывают голову сваи на длину не менее 10 ее диаметров.
При устройстве буроинъекционных свай используются отработанные методики, позволяющие получать сваи высокого качества и несущей способности и использующие современные технологии, оборудование и материалы. Можно выделить 4 основные операции при устройстве буроинъекционных свай: бурение скважины, заполнение скважины бетонной смесыо, установка арматурного каркаса, опрессовка свежеуложенного раствора.
Аналитическое обоснование практической возможности устройства набивных свай с использованием технологии «Песконасос»
Аналитическая оценка практической возможности и эффективности устройства набивных свай с использованием технологии «Песконасос» заключается в оценке возможности создания вокруг ствола изготовленной сваи радиальных напряжений, соизмеримых с радиальными напряжениями, возникающими при погружении в грунт забивных свай.
С целью выполнения этой оценки рассмотрим задачу о несущей способности основания жесткого штампа с размерами поперечного сечения, равными размеру поперечного сечения сваи. Рассмотрим расчетную схему, показанную на рис. 2.8: однородный песчаный массив (у = 1,6 тс/м3; з=35; с=0) с включением сваи длиной L, диаметром d0.
Среднее контактное напряжение Рср по подошве штампа (торцу сваи) определяется в соответствии с решением Березанцева ВТ. для случая песчаного грунта по формуле: Значения коэффициентов Nq,Nq принимаются в зависимости от угла внутреннего трения грунта (р.
Определим среднее значении радиального напряжения в области нижнего конца забивной сваи при известном значении Рср. При этом введем допущение, что Рср соответствует среднему значению наибольшего из главных напряжений а1ср. Тогда, для случая состояния предельного равновесия над острием (достигнуто при забивке сваи), среднее значение радиального CTHJP напряжения можно определить с использованием условия Мора-Кулона:
Из данных таблицы 2.1 следует вывод о том, что для повышения несущей способности буровой сваи до значений, характерных для забивной сваи, необходимо располагать технической возможностью обжатия стенок скважины напряжением a\„ ф достигающим значений 1,8 и более МПа, а эта, как было показано выше, является уже решенной технической задачей.
Внешний диаметр зоны впрессованного песка определим из условия, что внешняя граница области грунта, находящегося в предельном состоянии, устанавливается из допущения, что среднее значение наименьшего главного напряжения равно q = yL. Тогда Из условия равновесия сил в горизонтальном сечении имеем:
Применительно к значению угла внутреннего трения грунта р =30 вычисленные по формуле (2.8) значения , достигают , 3 d0, (см. рис. 2.9) где d 0 - начальный диаметр сваи. Характерно, что и на практике граница интенсивного уплотнения грунта в случае забивной сваи также оценивается значением 3 d0.
Важное значение для решения практических задач имеет оценка изменения модуля деформации грунта Е в зоне грунта, упрочненного по технологии «Песконасос». Средневзвешенное значение o,XXfip в этой зоне можно определить по формуле:
Для оценки приемлемости допущений, принятых выше, вычислим несущую способность набивной сваи, обеспечивающей работу грунто-свайного массива по подошве условного фундамента диаметром D] при среднем значении нормального напряжения
В центральной части условного фундамента (сопротивление по торцу сваи) значение контактного напряжения принято равным Рср в соответствии с (2.5). Тогда несущая способность сваи по расчету Fd pac4 будет равна
Далее определим несущую способность забивной Pdi3 и набивной сваи F d 6 диаметром 0,33 и 0,40, длиной 5 и 10 м при среднем давлении грунта q ср в окружающем массиве, равном где - убет — удельный вес бетона.
Полевые исследования устройства и работы свай, выполненных по технологии «Песконасос»
Ниже приведены результаты полевых исследований возможности устройства буровых свай, выполненных по технологии «Песконасос» по двум, описанным ранее вариантам технического решения толкателя.
Сваи устраивались в предварительно пробуренных скважинах диаметром от 10 до 15см, длиной от 2 до Зм. Используемая в полевых условиях установка содержит рабочий орган, представляющий собой оболочку трубы. Уплотнение грунта обеспечивается следующим образом. Обсадная труба опускается в скважину, устанавливается подающий бункер, в который засыпается уплотняющее сыпучее вещество (цементно-песчаная смесь). На подающую магистраль устанавливается клапан предельного давления, манометр, устройство измерения давления рабочей жидкости с приводом. Включается привод, при этом происходит циклическое изменение давления в магистрали.
Гидравлическая система позволяет синхронизировать выдвижение оболочки трубы. При возрастании давления происходит выдвижение оболочки, при этом уплотняющее вещество вдавливается в стенки скважины. При снижении давления оболочки трубы возвращаются в исходное положение с образованием зазора между стенками скважины и рабочей оболочкой. Образовавшийся зазор заполняется уплотняющим веществом.
Циклы повторяются до прекращения поглощения скважиной уплотняющего вещества или до срабатывания клапана предельного давления. При уплотнении ствола скважины на заданном горизонте происходит поднятие обсадной трубы с закрепленным на ней бункером и рабочей оболочки на новый, более высокий горизонт.
Таким образом, с целью изменения напряженного состояния грунтового массива и его упрочнения производится заданное необратимое увеличение напряжений в радиальном направлении за счет впрессовывания уплотняющего вещества в пространство между расширяющейся стенкой скважины и полой емкостью. По окончании эксперимента вытягивается обсадная труба и на месте первой трубы заливается бетон, в результате чего образуется свая.
В этом варианте сначала бурят скважину диаметром 15см, длиной 2м, куда опускается пластмассовая труба диаметром 10 см. Вокруг данной трубы в итоге получается зазор размером 2-2,5см, в который засыпается цементно-песчаная смесь (см. рис. 3.6). Затем в пластмассовую трубу вставляются металлическая труба со специальными гильзами диаметром 11 см. (рис.3.7). После этого с помощью специального устройства (используется соответствующая машина) осуществляется верчение металлической трубы и гильз, в результате чего приобретенной конусообразный вид пластмассовой трубой и специальным механизмом песок в зазоре начинает вдавливаться в грунт в боковые стороны. На освобожденное вокруг пластической трубы место вновь засыпается песок, и этот процесс имеет периодический характер до момента появления воды вокруг пластической трубы. Естественно, что этот процесс имеет несколько этапов с разными глубинами.
Как уже отмечалось выше, полевой эксперимент проводился с целью установления возможности и отработки технологии устройства буровых свай двумя рассмотренными методами с использованием технологии «Пескона-сос». Возможность устройства свай с использованием технологии «Пескона-сос» была полностью подтверждена, при этом были выявлены следующие важные детали ее применения, существенно влияющие на качество выполнения свай.
1. Верхняя часть скважины должна быть защищена обсадной трубой. В противном случае не удается достигнуть высокого давления в трубчатой эластичной навивке за счет выдавливания грунта в скважину в верхней части эластичного толкателя. При решении практических задач давление воздуха или жидкости повышается до 15 и более атм. Возможность повышения давления до 15 и более атм. Является одним из положительных момент рассматриваемой технологии. Например, при впрессовании даже достаточно жестокого цементно-песчаного раствора удается поднять давление только до 3-5 атм (несовершенство конструкции пакеров, явление гидроразрыва, иной механизм взаимодействия впрессовываемого раствора с окружающим грунтом).
2. Повышение давления в трубчатой эластичной навивке до расчетного значения должно производиться ступенями с целью обеспечения многоцикловой эксплуатационной пригодности толкателя. Так, если проектом предусмотрено увеличить диаметр скважины с начальных 100 мм до 300 мм, то на практике выполняется 4-5 ступеней увеличения давления, исходя из ограничения в увеличении радиуса впрессованного материала на каждой ступени в пределах 15-20 мм. В этом отношении надежнее оказывается технологическая схема, когда давление создается посредством впрыскивания дозированного объема жидкости - кинематическая схема (давление измеряется). При подаче ступеней давления воздуха - силовая схема (объем впрессованного песка фиксируется) сохранность эластичного толкателя обеспечивается в меньшей степени (неоднородность упрочняемого грунта, природные пустоты на начальной стадии впрессовывания). Вопрос выдержки давления при каждой ступени его нарастания малосущественен при упрочнении неводонасы-щенных грунтов и должен быть рассмотрен специально при упрочнении во-донасыщенных грунтов.
3. При радиальном напряжении на границе эластичного толкателя в пределах 15 атм возникает обширная область грунта, находящегося в состоянии предельного равновесия (внутренний выпор). Для обеспечения "внутреннего выпора" (особенно при упрочнении грунта в верхней части массива Н), высота эластичного толкателя h должна быть ограничена. Анализ указанного вопроса крайне затруднен в связи с недостаточно разработанной теорией описания механических свойств грунтов в условиях общего вида пространственного напряженно-деформированного состояния, большой неопределенностью в формулировке начального (природного) напряженно-деформированного состояния упрочняемого массива грунта, необходимостью учета цикличности нагрузки и разгрузки, влияния темпа нагружения. В практической работе h задается в пределах 70- 100см.
Проверка действия программы Plaxis 3D Foundation при моделировании взаимодействия одиночной сваи с окружающим грунтом
При решении этой тестовой задачи были использованы данные предпроектных испытании 2-х буронабивных свай статической вдавливающей нагрузкой, выполненных компанией ООО «SEPAR-AB-KHAK» на участке строительства жилого дома № 14 по адресу: кв. 121/14, по ул. Нефть, Тегеран - Иран при участии автора диссертации.
Следует отметить, что необходимые для использования упругой и уп-ругопластической моделей параметры грунтового основания определены соответствующими испытаниями, предусмотренными нормативными документами Ирана.
В соответствии с изложенным выше было проведено моделирование взаимодействия одиночной сваи с окружающим грунтом, обладающим характеристиками, приведенными в таблице 4.1.
Показанные на рисунке 4.11 графики нагрузка-осадка, полученные в результате проведенных испытаний и расчетом с использованием программы PLAXIS 3D Foundation с использованием упруго и упругопластической модели грунтового основания, в заданном диапазоне изменения вертикальной нагрузки дает близкий результат. Это говорит о возможности ее применения для решения практических и исследовательских задач, связных с вопросами взаимодействия свай с грунтовым основанием.
В настоящем параграфе рассмотрено влияние учета работы контактного элемента на НДС основания при его взаимодействии со сваями при численных решениях методом конечных элементов. Рассмотрено два варианта — в первом варианте изучалось НДС системы «свая - грунт» при полном учете работы контактного элемента, во втором - при уменьшении этого учета на 20 7.
В расчетах принимались следующие размеры сваи и рассматриваемой расчетной области: длина сваи - 10м, диаметр сваи - 1м, толщина сжимаемого слоя - 15м, ширина и длина расчетной области - 20x20м. Расчетная схема решаемой задачи представлена на рис.4.12.
Для моделирования напряженно-деформированного состояния грунта вокруг сваи принята модель грунта Кулона-Мора. Характеристики основания: угол внутреннего трения 9 =35; удельное сцепление с=0 КПа; модуль деформации Е=25 МПа; v= 0.3; удельный вес грунта у=16 кН/м . Свая железобетонная круглая полая с наружным диаметром яИ),ЗЗм, модуль упругости =3000 МПа; коэффициент Пуассона у=0.20. В расчетах приняты следующие характеристики контактного элемента: р = 35, с = 0 КПа, Е=30 МПа, v= 0.30. Результаты расчета представлены на рис. 4.13.
Результаты выполненных расчетов показали, что графики зависимости осадки сваи от нагрузки в обоих случаях практически одинаковы. Это объясняется тем, что соотношение модулей деформации грунта и контактного элемента достигает 100, а модуль деформации материала сваи отличается от модуля деформации материала контактного элемента и окружающего грунта на два порядка. Это и явилось причиной того, что нет существенной разницы, между результатами расчета несущей способности сваи с полным или уменьшенным учетом работы контактного элемента.
В дальнейшем в диссертационной работе выбрана расчетная модель без учета действия контактного элемента. При моделирование работы буровых свай, выполненных по технологии «Песконасос», расчеты выполнены в упругой и упругопластической постановке.
Для численного расчета согласно последней версии Plaxis 3D Foundation была построена модель, состоящая из массива грунта размером 20x20x20м и одиночной сваи, выполненной по технологии «Песконасос».
Сначала были выполнены расчеты, которые позволили проанализировать один важный вопрос - влияние упрочнения грунта вдоль боковой поверхности и под нижним торцом сваи, изготовленной по технологии «Песконасос», на ее осадки и несущую способность.
В первом случае главной зоной укрепления является только боковая зона сваи, определяемая площадью А, как показано на рисунке 4.14. Во втором случае грунт укрепляется не только вдоль боковой поверхности сваи, но и под ее нижним концом, при этом площадь зоны укрепления также определяется площадью А, как показано на рисунке 4.15.
Полученные зависимости «нагрузка-осадка» для двух указанных случаев показаны на рис.4.16. Приведены решения как в упругой постановке (фафики а и а ), так и в упругопластической (графики b и Ь ).
