Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса ленточных эффективных свайных фундаментов из забивных свай 11
1.1. Особенности инженерно-геологического строения грунтов в Западно - Сибирском регионе 11
1.2. Существующие виды конструкций свай и свайных фундаментов повышенной несущей способности 13
1.3.Существующие методы расчета свай и свайных фундаментов 18
1.4.Выводы по главе 1 24
ГЛАВА 2. Исследование работы рамно-козловых фундаментов на маломасштабных моделях 25
2.1. Задачи модельных экспериментов 25
2.2.Методика проведения лабораторных испытаний 26
2.3.Приборы и лабораторное оборудование 28
2.4. Методика обработки лабораторных экспериментальных исследований 30
2.5.Планирование эксперимента и обработка результатов 35
2.6.Исследования изменений физико - механических характеристик грунта при внедрении модельных свай 37
2.7. Испытание модельных ленточных фундаментов статической вдавливающей нагрузкой 45
2.8. Анализ характера деформаций грунтового массива в активной зоне 48
2.9.Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. Испытание полномасштабных рамно-козловых ленточных фундаментов 52
3.1.Численная постановка эксперимента для натуральных грунтовых условий
3.2.Опытная площадка и задачи экспериментов 54
3.3. Методика проведения полевых экспериментов 56
3.4. Технология устройства рамно - козловых фундаментов 58
3.5. Приборы и оборудование 60
3.6. Порядок проведения экспериментов 64
3.7.Исследование контактных давлений на границе «фундамент основание» 68
3.8.Несущая способность и осадки рамно - козловых фундаментов 74
3.9.Напряженно - деформированное состояние основания рамно козловых фундаментов 77
3.10. Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. Разработка метода расчета осадок ленточных рамно - козловых фундаментов 89
4.1 .Численное моделирование работы фундаментов 89
4.2.Методика определения перемещения верхней точки треугольного грунтового массива в линейном, квадратичном и кубическом приближении 92
4.2.1. Линейный вариант аппроксимации перемещения точки треугольного грунтового массива 92
4.2.2. Определение формул перемещения верхней точки грунтового массива при приложении нагрузки в узле для варианта линейной 101 аппроксимации
4.2.3. Квадратичный вариант аппроксимации перемещения точки треугольного грунтового массива 105
4.2.4. Определение формул перемещения точки треугольного грунтового массива при различных способах нагружения для варианта квадратичной аппроксимации 107
4.2.5. Кубический вариант аппроксимации перемещения точки треугольного грунтового массива 110
4.2.6. Определение формул перемещения точки треугольного грунтового массива при произвольном способе нагружения для варианта кубической аппроксимации 127
4.3.Сопоставление результатов эксперимента с результатами расчета по предлагаемому методу 129
4.4.Выводы по главе 4 134
Заключение 135
Список литературы 137
- Существующие виды конструкций свай и свайных фундаментов повышенной несущей способности
- Методика обработки лабораторных экспериментальных исследований
- Технология устройства рамно - козловых фундаментов
- Линейный вариант аппроксимации перемещения точки треугольного грунтового массива
Существующие виды конструкций свай и свайных фундаментов повышенной несущей способности
В настоящее время при возведении фундаментов на слабых грунтовых основаниях нашли широкое применение призматические сваи различной длины. Их ма-лоэффективность подтверждается в работах А.С. Везич [128]. Исследователь считает, что осадка куста свай больше осадки одиночной сваи при одинаковой удельной нагрузке. По данным [123] отмечается, что снижается эффективность использования несущей способности свай в кусте при увеличении количества свай. На основании результатов [125] так же подтверждается нецелесообразность повышения конечной нагрузки количеством свай в кусте. Практика показывает, что использование этих свай в жилищном строительстве приводит к значительному перерасходу материала [93]. Это вызвано сложностью их рационального проектирования, связанной с недостаточной расчетной базой. Расчетные формулы согласно [100] не учитывают изменений плотности сложения сухого грунта, влажности, угла внутреннего трения и других процессов, происходящих в грунте при внедрении сваи. Для глинистых определены грунтов расчетные характеристики, зависящие только от показателя консистенции «II», который не может полностью отразить природу и механизм совместной работы сваи и основания [43].
Накопленный экспериментальный опыт позволяет считать, что свойства глинистых пород определяются в основном плотностью сухого грунта, его структурными особенностями и характером взаимодействия частиц [61, 62, 76, 83, 98, 124, 126, 127].
Изменение степени влажности грунта в сторону увеличения, ведет к снижению прочности структурных связей между частицами, что вызывает значительное уменьшение общего модуля деформации грунта [41] и его расчетного сопротивления.
Исследователь А.А. Бартоломей [6] провел изыскания в натурных условиях свайных фундаментов и свай сечением 30x30см, длиной 6м, с расстоянием между сваями ленточного свайного фундамента 3d (d-диаметр сваи). Экспериментальные площадки были представлены суглинками тугопластичной и мягкопластичной консистенции. Результаты опытов показали, что при забивке свай в четвертичные суглинки мягкопластичной и тугопластичной консистенции со степенью водонасыще-ния 0,75-0,82 области деформации достигают 6-7d для одиночных свай и 10-1 Id вокруг свай ленточных свайных фундаментов. В плоскости острия свай образуются уплотненные зоны на глубину 3-3,5d в случае одиночных свай, а под ленточными свайными фундаментами мощность уплотненной зоны достигает 4-5d. Было также доказано изменение физико-механических свойств грунта. Так объемный вес изменился от 1,9 до 2,26 т/м3 под одиночными сваями и до 2,35 т/м3 под ленточными свайными фундаментами. Силы сцепления грунта изменились с 0,021-0,024 до 0,09-0,095 МПа непосредственно под сваями. Произошло увеличение модуля деформации грунта на глубину 3,5-4d от 12-12,4 до 46 МПа в плоскости острия свай под одиночными сваями. Под ленточными свайными фундаментами изменения модуля деформации грунта вследствие забивки свай отмечалось на глубине 6-7d и значения составили 48 МПа. В работах А.Б. Пономарева отмечается, что анализ результатов исследований свойств грунта вокруг свай показал не значительное изменение угла внутреннего трения [84].
В настоящее время выделяется три основных направления в развитии свайных конструктивных схем для повышения их несущей способности: 1. Увеличение площади распределения давления нижней частью сваи. По способу устройства уширения их можно разделить: - жесткие готовые уширения в зоне пяты сваи [4, 41, 101]; - конструкции уширения на конце сваи, образуемые путем раскрытия лопастей, "крыльев" и т.п. [118] Преимущества свай с раскрывающимися лопастями и поворотными крыльями очевидны [3, 10, 32, 117, 118]. Результаты экспериментальных исследований показали, что увеличение площади опирання по концу сваи в 4-10 раз увеличивает их несущую способность в 1,5 - 2,5 раза [3, 20, 60, 75, 86, 107]. 2. Изменение вида поперечного сечения ствола сваи: прямоугольное, треугольное, круглое, полое. Особенно это отмечается в процессе проектирования в однородных слабых грунтах, где доля лобового сопротивления грунта сваи незначительна, а большая часть нагрузки на грунт передается по боковой поверхности [21]. Эффективной оказалась разработка круглых полых свай с грунтовым ядром [66].
Распределение внешней нагрузки в грунте по боковой поверхности сваи. К таким конструкциям относятся конические и пирамидальные [13, 23, 24, 46, 55, 59, 108, 113], биклинарные сваи [74], забивные блоки пирамидальной и клиновидной формы [24], седловые [9, 56, 89] козловые системы и сваи [2, 3, 17, 25, 26, 36, 45, 71, 74, 81, 82, ПО, 88, 105, 112].
Впервые эффективные фундаменты из забивных пирамидальных свай с небольшим углом конусности были предложены в 1906 г. П. Косселем в Германии. Несмотря на то, что идея придания боковым поверхностям свай наклона была из 16 вестна давно, все же исследования таких свай в нашей стране не проводились вплоть до выхода работы В.К. Дмоховского [37]. В своей работе он обосновал преимущество конических и пирамидальных свай перед призматическими, при условии, что сбег конуса составляет 2-4 см на метр длины сваи. Как показали исследования [22], удельное сопротивление пирамидальных свай на 65 % выше стандартных призматических в одних и тех же грунтовых условиях. При работе этих свай в составе ленты с шагом 6d, где d - средний диаметр сваи, взаимного влияния не наблюдалось в условиях статического нагружения.
Позднее конструкции конических и пирамидальных свай были разделены на два вида: 1. с углом наклона боковых поверхностей 1-4, исследования которых проводились в Москве, Пензе, Перми и Рязани [94, 84]. 2. с углом наклона боковых поверхностей от 4 до 14. Исследования взаимодействия с грунтовым основанием этих свай проводились коллективом кафедры "Основания и фундаменты" ОИСИ [17, 108], Полтавского ИСИ [13, 46], Саратовским политехническим институтом [59, 60] и другими исследователями [21, 113, 114].
В портовом и гидротехническом строительстве наклонные и козловые сваи нашли широкое применение. Целевое назначение их заключается в том, что наряду с вертикальными силами воспринимаются и значительные горизонтальные, передаваемые на фундаменты сооружений. Использование наклонных свай было рациональным в тех случаях, когда результирующая действующих сил отклонялась от вертикали на угол 5-15, при большем отклонении эффективным являлось использование козловых свай. Конструктивно они выполнялись из двух, забитых наклонно друг к другу свай, расположенных в одной вертикальной плоскости, в оголовке концы соединялись вместе. Длина свай составляла порядка 6 - 13 м, размер в поперечном сечении составлял около 24-30 см. Наклон граней составлял 1:4 - 1:2,5 для деревянных и 1:5 - 1:2,5 для железобетонных свай.
Методика обработки лабораторных экспериментальных исследований
Анализ результатов показал, что при забивке клиновидных свай под углом 30 от вертикали, зоны уплотнения также как при внедрении свай под углом 15 имеют неоднородное распределение. Со стороны внутренней грани одной сваи по нормали к ее оси уплотненная зона распространяется на 3,5 - 4d (где d - средний размер сечения сваи). В плоскости острия уплотненные зоны распределяются по окружности и распространяются на глубину до 3d. С наружной стороны сваи уплотнение грунта происходит так же, как и при внедрении сваи под углом 15.
Уплотнение снаружи сопровождается небольшим выпором и распределяется неоднородно. В верхней части сваи имеется зона меньшей плотности, что не наблюдалось при внедрении вертикальной сваи и сваи с наклоном 15. При внедрении второй наклонной сваи уплотненная зона между сваями в верхней зоне частично смыкается. Поэтому, при внедрении свай под углом 30 уплотненные зоны в околосвайном пространстве в раме можно считать аналогичным одиночной свае. Наибольшее уплотнение происходит в зоне острия свай. В верхней части свай отмечена область меньшей плотности. Увеличение плотности грунта изменяется в среднем от 19,7 -19,8 кН/м3 до 23,2 - 25,0 кН/м3. Удельное сцепление изменяется в среднем от 25 -26 кПа до 38 - 46 кПа, то есть примерно в 1,5 - 1,7 раза. Модуль деформации увеличился от 16,5 - 17,3 МПа до 31,0 - 40,5 МПа - в 1,8 - 2,3 раза.
Проведенные исследования показали, что плотность у боковой грани модели клиновидной сваи изменилась по величине в среднем от 19,8 кН/м3 до 25 кН/м3, коэффициент пористости изменился по величине от 0,7 до 0,35. По отношению к первоначальным значениям средняя плотность в зафиксированной активной зоне грунтового пространства увеличилась на 12 %, а осредненный коэффициент пористости уменьшился на 20 изменения физико-механических свойств грунтов в уплотненной зоне при последовательном внедрении двух сваи с наклоном 30 Грунт у дневной поверхности при внедрении незначительно переместился вверх и поэтому у наружной грани свай подвергся меньшему уплотнению. Такое поведение характерно при внедрении свай под углом 30.
В результате анализа экспериментальных значений характеристик грунта мы можем заключить: очертание зон с измененными характеристиками грунта зависит от угла наклона свай и расстояния между ними в ростверке; при внедрении моделей клиновидных свай в суглинистый грунт модуль общей деформации (Е) и удельное сцепление (С) увеличиваются в 1,5-К2,4 раз, в зависимости от угла внедрения свай; угол внутреннего трения (ф) практически не изменяется.
Испытание моделей проводилось ступенчато статической нагрузкой. Величина ступени равнялась 1,0 кН, (1/7-1/10 от предполагаемой предельной нагрузки). Нагру-жение велось гидравлическим домкратом. Каждая последующая ступень прикладывалась после стабилизации перемещений модели фундамента. Вертикальные перемещения рамы в процессе нагружения фиксировались двумя прогибомерами 6ПАО с ценой деления 0,01мм. Перемещения в грунтовом массиве определялись при помощи грунтовых марок, конструкция которых описана ранее в параграфе 2.2. диссертационного исследования. Деформации грунта фиксировались в момент приложения нагрузки и во время условной стабилизации ГОСТ [30].
Результаты статического испытания модели рамно - козлового фундамента с клиновидными сваями, наклоненными к вертикали под углом 15, приведены на рис. 2.14 график 2. В ходе проведения испытания было отмечено, что при нагрузке до 1,0 кН (17%) вертикальных перемещений не зафиксировано. При нагрузке 4,0 кН (67%) выявлено нелинейное приращение вертикальных перемещений, величина осадки на этом этапе составила 1,5 мм. Осадка рамы до момента образования провальных осадок составила 9,32 мм при нагрузке 5,0 кН (83%). Максимальная несущая способность рассматриваемой рамы составила 6,0 кН (100%) при осадке 40,86 мм. Упругий выпор фундамента после снятия нагрузки составил 0,97 мм, что составляет 2,3% от полной осадки. Результаты статического испытания модели рамно - козлового фундамента с клиновидными сваями, наклоненными к вертикали под углом 30, приведены на рис. 2.14 график 3.
Входе проведения испытания было отмечено, что при нагрузке до 2,0 кН (29%) вертикальных перемещений не зафиксировано, осадка рамы до момента образования провальных деформаций составила 3,1 мм при нагрузке 5,0 кН (71%). При нагрузке 6,0 кН (85%) произошли провальные осадки со стабилизацией осадки при величине 15,82 мм. При дальнейшем нагружении до 7,0 кН (100%) осадка превысила 40 мм и составила 40,63 мм. Упругий выпор фундамента после снятия нагрузки составил 3,45 мм, что составляет 8,4% от полной осадки.
По результатам статических испытаний можно определить характер работы рамно - козловых фундаментов с различным углом наклона клиновидных свай. Картина деформирования грунтового основания в активной зоне рассматривалась при нагрузке равной эффективной, до возникновения провальных нестабилизированных осадок. Рассматривая модель фундамента с вертикальными сваями необходимо отметить, что при эффективной нагрузке осадка составила всего 0,56 мм. При аналогичном при испытании модели рамно - козлового фундамента с наклоном свай под углом 15 осадка при эффективной нагрузке составила 0,61 мм. Погрешность фиксации перемещений марок составляет 1,0 мм. Также можно отметить, что перемещения грунта в межсвайном пространстве, происходит в большей степени вместе со сваями. Это свидетельствует о том, что осадка фундамента происходит в основном за счет деформации подстилающего слоя ниже концов свай.
При рассмотрении результатов испытания модели рамно - козлового фундамента с наклоном свай под углом 30 отмечается наличие перемещений частиц грунта в верхней части свай. В этой связи можно предположить, что рамно - козловой фундамент имеет некоторую податливость. Такое явление характеризует сваи рамы как изгибаемый элемент. Учитывая предположение о том, что сваи рамно - козлового фундамента подвержены изгибу, то можно заключить, что клиновидное сечение оправдывается дополнительной жесткой заделкой в теле ростверка.
Как показали результаты, полученные с помощью усовершенствованной технологии фотограмметрии (рис. 2.15.), в результате нагружения рамно-козлового фундамента с наклонными сваями под углом 30 происходит увеличение зон дополнительного изменения плотности в межсвайном пространстве. Существенное изменение плотности происходит непосредственно в верхней трети длины свай и находится в пределах 2,0-2,15 кг/м3. Улучшение грунтовых характеристик произошло примерно на 10-24% по сравнению с данными, полученными после забивки свай в грунт. Таким образом, видно, что осадка фундамента проходит в основном за счет деформаций грунта заключенного между сваями.
Технология устройства рамно - козловых фундаментов
Результаты испытаний рамно-козлового фундамента с наклоном свай 30 показывают некоторые отличия НДС активной зоны основания фундамента в поперечном и в продольном направлении по сравнению с фундаментом, имеющим угол наклона свай 15.
На рис. 3.22. показаны изолинии вертикальных перемещений грунта в плоскости средней рамы ленточного фундамента при действии нагрузки величиной 280 кН. Осадка фундамента при этой нагрузке составила 28,5 мм. При рассмотрении «картины» деформирования грунтового основания, можно отметить неравномерность перемещения слоев грунта в околосвайном пространстве по отношению к осадке фундамента. Наибольшие деформации происходят вблизи свай на расстоянии 0,2 - 0,5 м (1,5 - 2d) от внутренней грани свай и 0,1 - 0,15 м (0,5 - l,0d) от наружной грани свай, где d - средняя высота сечения клиновидной сваи. Объем грунтового массива основания, охватывающий все элементы фундамента, имеет осадку от 18мм(63%) до 5,0 мм(17,5%). При удалении от наиболее уплотненной зоны отмечается резкое снижение перемещений грунта. На расстоянии 0,5 - 0,6 м по глубине от концов свай фундамента перемещения снизились до 1,0 мм, что составляет 3,5% от осадки фундамента. На расстоянии 2,0 м по глубине от концов свай перемещения имеют величину всего 0,2 мм (0,7%). На удалении 3,0 м от концов свай деформации грунта практически затухают. Их величина составляет 0,1 мм (0,4%). показаны изолинии вертикальных перемещений грунта в продольном сечении фундамента при действии нагрузки величиной 280 кН на каждую раму. В среднем осадка рам в фундаменте при этой нагрузке составляет 28 мм. Характерное слияние изолиний перемещений позволяет предположить наличие взаимовлияния рам фундамента друг на друга. Следует отметить тенденцию локализации участков перемещений величиной более 2,5 мм, расположенных непосредственно под фундаментными рамами. Все конструктивные элементы рамно-козлового фундамента включают в работу большой объем грунта с деформацией до 1,0 мм в слое непосредственно под сваями.
При рассмотрении изолиний вертикальных перемещений выявляется характерное выравнивание изолиний перемещений на глубине до 0,6 м от концов свай фундаментов. Значение перемещений на этом уровне имеют величину 1,0 мм. Это явление характеризует работу грунтового массива под ленточным рамно-козловым фундаментом, как загруженного условной равномерно - распределенной нагрузкой. Изолинии перемещений по глубине имеют одинаковый характер распределения, исключая небольшие прогибы в грунтовых зонах под рамами.
Анализируя фактическую работу грунтового основания можно отметить, что объем грунта, заключенный между сваями, имеет вертикальные перемещения от 28,5 мм до 2,5 мм. При удалении от наиболее уплотненной зоны отмечается резкое снижение перемещений грунта. На расстоянии 0,5 - 0,6 м в глубину от концов свай перемещения имеют величину до 1,0 мм, что составляет всего 3,5% от осадки фундамента. Таким образом, выявлено, что основу осадки фундамента составляют деформации массива грунта заключенного между сваями, которые составляют 96% от всей осадки фундамента.
Величина напряжений в околосвайном грунте колеблется от 50 кПа до 200кПа. В начале и конце свай в фундаменте отмечены четко локализовавшиеся зоны повышенного напряжения величиной 200 кПа. В остальной части свай напряжения имеют меньшую величину и находятся в диапазоне 120 - 200 кПа. В верхней 1/3 части свай со стороны наружной грани свай величина напряжений близка к нулю, это объясняется отрывом грунта от поверхности сваи. Анализируя величину и характер распределения вертикальных напряжений в околосвайном пространстве, можно отметить тенденцию к локализации напряжений вблизи клиновидных свай.
При рассмотрении изменения величины напряжений по глубине отмечается быстрое их затухание. При удалении на 3,0 м от конца свай величина напряжений составляет всего 1,0 кПа. На рис. 3.25. показаны изолинии вертикальных напряжений в сечении основания по продольной оси ленточного фундамента при действии нагрузки величиной 280 кН на каждую раму. Анализируя характер распределения напряжений, можно отметить, что основной массив грунта между сваями и чуть глубже (1,0 м) под рамами фундамента является равномерно напряженным с величиной нормальных напряжений 10 кПа. Имеются локальные участки в основании непосредственно под ростверками рамам фундамента, где наблюдается повышенное напряжение до 50 кПа.
Линейный вариант аппроксимации перемещения точки треугольного грунтового массива
Поскольку, изначально векторы смещений в первых трех точках равны нулю, они жестко закреплены, то исключая из общей системы уравнений слагаемые с этими номерами, получим следующую матрицу коэффициентов линейной системы для определения смещения в остальных точках, находящихся как под нагрузкой, так и без нее. Так как, число неизвестных уменьшилось на 6, то для оставшихся 6 неизвестных получим следующую систему из 6 уравнений: поверхностям свай, что в свою очередь приведено в главе 3 данной работы. На основе полученных данных для распределения величины прикладываемой нагрузки в заданных точках необходимо определить долю силы, приходящуюся в окрестности рассматриваемой точки. Вследствие того, что задача является плоская, то необходимую величину доли можно определить из соотношения площадей эпюры контактных напряжений в окрестностях каждой точки.
На рис. 4.9 приведено распределение площадей эпюры контактных напряжений по отношению к минимальной площади на последней ступени нагружения. Эти значения долей дают картину распределения приложенных сил в рассматриваемых точках расчетной схемы для конкретного рассматриваемого случая.
При задании величины долей от нагрузки необходимо учесть, что в верхней точке значение удваивается, вследствие суммирования эпюры контактного давления от пары свай в фундаменте.
Исходными данными для расчета являлись: модуль деформации, принимаемый как средневзвешенная величина модуля деформации слоев, вовлеченных в работу, Е=14 МПа; коэффициент Пуассона для глинистых грунтов v=0.3; угол раствора свай составлял бОгр. Действующая нагрузка принималась для последней ступени, и ее величина составила 280кН.
Предварительные расчеты были выполнены по трем расчетным схемам. В случае линейной аппроксимации, осадка составила 148мм, при квадратичной - 37.6мм. По результатам расчета для варианта кубической аппроксимации с опорой на две точки осадка составила 31.1мм, тогда как фактическая осадка экспериментальных фундаментов составила 28.5мм. Таким образом, расчетная модель при использовании кубического полинома показывает хорошую сходимость с экспериментом - около 91%.
На основании выше изложенного для детального рассмотрения, предлагаются варианты моделей с квадратичной аппроксимацией и кубической аппроксимацией с опорой на две точки.
Для полной оценки и сопоставления данных, по результатам работы было выполнено сравнение значений осадок рамно-козлового фундамента полученных экспериментально, по предлагаемому методу, а также в программе Plaxis с использованием модели Мора-Кулона (рис. 4.10).
При построении кривой «нагрузка-осадка» значение осадки определялось индивидуально на каждой ступени, учитывая характер и величину распределения контактного давления по внутренней поверхности свай. Силы прикладывались согласно предложенному методу рассмотренного выше.
Рассматривая полученные результаты характер кривых 1, 2, 4 идентичен. Кривая 3 имеет меньшую кривизну и не отражает работу фундамента под нагрузкой. Этот факт объяснятся взаимодействием грунтового основания и распределенной нагрузки по контактной поверхности. В случае квадратичной аппроксимации действующая нагрузка распределяется по трем точкам с каждой стороны соответственно. Учет неравномерности распределения контактного давления, в этом случае, является затруднительным и эпюра контактного давления приближается к равномерно-распределенной, что не соответствует реальной картине, полученной при полевых экспериментах, (см. глава 3).