Содержание к диссертации
Введение
1. О работе взаимодействующих фундаментов 10
1.1. О деформациях взаимодействующих фундаментов мелкого заложения 10
1.2. Работы рядом расположенных свайных фундаментов 18
1.3. Вопросы расчета отдельно расположенных кустов свай 27
1.4. Анализ аналитических методов расчета по де
формациям взаимодействующих фундаментов 38
2. Экспериментальные исследования напряжений в основании свайных фундаментов с учетом их взаимодействия методом 50
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 52
2.2. Экспериментальные исследования распределения напряжений в основании взаимодействующих свайных фундаментов 62
2.2.1. Результаты и анализ экспериментальных исследований распределения напряжений в основании одиночных свай и отдельно работающих свайных кустов 62
2.2.2. Результаты и анализ исследований распределения напряжений в основании взаимодействующих кустов свай 73
2.2.3. Разработка основных положений расчетной схемы передачи нагрузки рядом расположенными кустами свай 86
3. Экспериментальные исследования работы взаимодей ствующих свайных фундаментов методом эквивалентных материалов - З Стр.
3.1. Методика проведения и планирование экспериментальных исследований 89
3.1.1. Цели исследования, принципы моделирования и состав эквивалентных материалов.. 89
3.1.2. Конструкция модельных тензосвай и глубинных марок 93
3.1.3. Методика проведения и планирование эксперимента 3.2. Исследование несущей способности, осадок и кренов взаимодействующих кустов свай 109
3.3. Исследование влияния взаимодействия фундаментов на распределение усилий между сваями в кустах 118
3.4. Исследование деформаций грунта в основании близко расположенных кустов свай 128
3.5. Экспериментальная оценка степени взаимодейст вия свайных фундаментов 141
4. Методика расчета взаимодействующих свайных фунда ментов 148
4.1. Основные положения и разработка расчетных схем передачи нагрузки 148
4.2. Аналитическое определение коэффициента взаимного влияния 156
4.3. Аналитическое исследование значений Квв и факторов , влияющих на его величину 163
4.4. Определение деформаций взаимодействующих фундаментов 177
4.5. Пример расчета и технико-экономическое сравнение вариантов 180
Основные выводы 204
Список использованной литературы
- Вопросы расчета отдельно расположенных кустов свай
- Экспериментальные исследования распределения напряжений в основании взаимодействующих свайных фундаментов
- Разработка основных положений расчетной схемы передачи нагрузки рядом расположенными кустами свай
- Исследование влияния взаимодействия фундаментов на распределение усилий между сваями в кустах
Вопросы расчета отдельно расположенных кустов свай
Грутманом М.С. /19/ приводится пример расчета многоэтажного каркаоного здания в г.Киеве. Размеры здания в плане 45x90 м, под колонны, установленные с шагом 6x9 м, запроектированы отдельные свайные фундаменты, с общим количеством свай 1200 шт. Собственные осадки фундаментов, по расчетам проектной организации, должны составить 2,5-3 см, а с учетом взаимного влияния фундаментов - 3,5-4 см.
По предлагаемой автором методике, принятой исходя из условий работы фундаментов, как сплошной плиты, расчетные значения осадки должны составить 11,4 см.
Однако в данной работе /19/ не проводится сравнение величины осадок, полученных расчетным путем, с данными натурных наблюдений.
Представляют интерес исследования Луги А.А. /47/, который описывает неравномерные деформации устоев моста, возведенных на свайных фундаментах.
Результаты наблюдений показали, что стабилизировавшиеся в течение года осадки фундаментов левобережного и правобережного устоев, значительно и неравномерно возросли при окончании отсыпки подходных насыпей.
Анализ результатов наблюдения и проведенные дополнительные расчеты, позволили автору установить, что от веса насыпи в массиве грунта возникают направленные вниз силы, которые воздействуют на боковую поверхность куста, тем самым создавая дополнительные напряжения в основании ниже плоскости подошвы. Бели сваи -в кусте забиты редко, то "дополнительные напряжения непосредственно проходят через грунт междусвайного пространства, они воздействуют на грунт оонования прямым образом, а также вызывают появление направленных вниз сил и на стволах редко расположенных свай".
Приведенный анализ экспериментальных исследований, в которых авторами изучалась работа взаимодействующих фундаментов,свидетельствует о том, что данный вопрос, учет которого необходим (о чем можно судить по большому количеству неравномерных деформаций самых различных зданий и сооружений, описанных выше) при расчете фундаментов по деформациям, изучен недостаточно. Особенно мало исследований посвящено изучению взаимного влияния свайных фундаментов. В имеющихся исследованиях не уделялось внимание изучению характерной особенности работы свайных фундаментов - передаче нагрузки через остриё и боковую поверхность свай, информация о которой необходима при разработке методов расчета. Результаты же штанповых испытаний не могут компенсировать отсутствие данных о работе взаимодействующих кустов овай, так как в этом случае не учитывается глубина приложения нагрузки.
Ввиду большой стоимости и технических трудностей, при проведении натурных опытов, большинство экспериментов выполнено на моделях. Здесь, в связи с развитием в последнее время теории подобия /9, 12 и др./ и теории расширенного подобия /92/, а также накоплением опыта применения этих теорий к моделированию работы свай и свайных кустов /2, 28, 29, 52, 53, 55 и др./ имеются резервы повышения достоверности данных, получаемых при изучении работы моделей.
Анализ проведенных экспериментальных исследований показал, что вопрос взаимодействия свайных фундаментов изучен недоотаточ - 27 -но и требует,из-за необходимости исследования большого количества влияющих факторов, проведения широкомасштабных комплексных экспериментов, в которых должны учитываться основные особенности работы свайных кустов.
А расчет деформаций взаимодействующих свайных фундаментов может быть разработан по аналогии с расчетом взаимного влияния свай, работающих в составе куста.
Взаимное влияние свай, работающих в составе куста, отличает их от работы одиночных свай. Одним из первых это установил инженер Лебединский Н.К, /46/ в 1894 г. С тех пор с целью выявления процессов взаимодействия свай в кусте проведено большое количество экспериментальных исследований как у нас в стране /7, 16, 19, 23, 33, 42, 49, 62, 71, 87 и др.), так и за рубежом /95, 97, 106-109 и др./.
Значительный вклад в решение этого вопроса внесен кафедрой "Механики грунтов, оснований и фундаментов" МИСИ им.В.В.Куйбышева, где под руководством проф.Цытовича Н.А. и доц.Дорошкевич Н.М. в рамках многолетней программы комплексных исследований, выполнено ряд работ /3, 6, 26, 27, 37, 38, 70, 73, 93 и др./ по изучению совместной работы свай в кусте в разнообразных грунтовых условиях, при различных сочетаниях нагрузки.
Особенности взаимодействия, установленные экспериментально при изучении совместной работы свай, позволили разработать аналитические методы, учитывающие степень взаимодействия свай в зависимости от различных параметров - расстояния между ними, их длины, количества, воспринимаемых нагрузок и т.д. Рассмотрим некоторые из них.
Экспериментальные исследования распределения напряжений в основании взаимодействующих свайных фундаментов
Для решения этих вопросов на кафедре "Механики грунтов, оснований и фундаментов" МИСИ им.В.В.Куйбышева были проведены эксперименты на поляризационной установке (полярископFMB-300), общий вид которой приведен на рис.2Л В основу работы полярископа положено свойство двойного лучепреломления, которым обладают большинство прозрачных изотропных материалов /81, 86/. При действии нагрузки на модель,выпол-ненную из такого материала, в ней возникают напряжения, в результате чего материал становится оптически анизотропным. Пропускаемый через модель поляризованный луч света, в таких условиях, разделяется на два луча, которые ввиду различных коэффициентов преломления имеют различные скорости, а следовательно и разность хода. Каждой разности хода соответствует определенная окраска, чем и объясняется появление на модели, при ее нагруже-нии, цветной картины полос. Причем одинаково окрашенные полосы (изохромы) являются геометрическим местом точек с равной разностью главных напряжений ( -йг. . Учитывая, что -можно сказать, что в этих точках также равны и максимальные касательные напряжения.
В данных опытах моделировалась работа свай и свайного основания. В качестве модели грунта использовался оптически-чувствительный низкомодульный материал на желатино-глицериновой основе - игдантин, разработанный в Институте горного дела им. А.А.Скочинского. Игдантин имеет линейную зависимость между напряжениями и деформациями и отвечает требованиям, предъявляемым оптически-чувствительным материалам: он прозрачен, изотропен и имеет высокую оптическую чувствительность. Кроме того, как отмечается в работе /26/, игдантин продолжает быть оптически-активным не только в стадии упругости, но и в начальной стадии пластических деформаций.
На основании наблюдения картины распределения напряжений на пробных образцах в методических опытах, и учитывая рекомендации Дорошкевич Н.М. /26/, был принят материал с весовым процентным содержанием: желатина - 20$, глицерина 30$, воды 50$.
Технология изготовления игдантина заключается в следующем: - фотожелатин засыпается в необходимое количество воды и перемешивается; - по истечении 3-5 часов, добавляется нужное количество глицерина. После тщательного перемешивания смесь выдерживается в течение суток; - варка игдантина производится на "водяной бане"; - после полного расплавления приготовленной смеси, ее проваривают 20-30 мин, освобождают от образовавшегося слоя пены, и заливают в специальные формы. Охлаждение, до полного затвердевания игдантина, производится при комнатной температуре.
Формы представляют собой разборные плоские рамки, изготов - 54 -ленные из органического стекла. Их размеры приняты из условия обеспечения отсутствия влияния боковых стенок и дна формы на исследуемую модель фундамента. Опыты проводились, в зависимости от длины моделей свай, в рамках с размерами 600x700 мм,350x700 мм и толщиной 10 мм. Задача решалась в плоской постановке.
Модели свай были изготовлены из металлических трубок cl= 3 мм с заострением на конце. Их поверхность по всей длине была отникелирована /26/. Длины свай (Е= 60, 90, 120 мм) были приняты исходя из величины поляроидов (0 = 300 мм), для возможности охвата и фиксирования наблюдаемого поля напряжений при совместной работе двух рядом расположенных моделей свайных фундаментов. Относительная длина свай составляла E/d =20, 30, 40, а линейный масштаб моделирования принят: где LH , Ем и dU, сім - соответственно длина и диаметр натурных и модельных свай.
Модели свай и свайных фундаментов погружались и испытыва-лись следующими способами: І. В плоский лоток с неостывшим жидким игдантипом погружались металлические стержни диаметром в 2 раза меньшим, чем диаметр сваи, и закреплялись в нужном положении неподвижно, до полного затвердевания смеси. После извлечения этих стержней в иг-дантине оставались лидерные отверстия, в которые вставлялись модели свай. При погружении свай, образовывалось некоторое начальное напряженное состояние, моделирующее напряжения, возникающие в грунте при забивке свай. В силу обжатия свай, при погружении в лидерные отверстия меньшего диаметра, и их ровной поверхности, обеспечивающей устранение побочных оптических эффек - 55 -тов, образовывался достаточно прочный контакт между моделями и игдантином. При таком способе погружения, сваи работали и острием, и боковой поверхностью (рис.2.2, 2.3). 2. В неостывший игдантин погружались непосредственно модели свай, которые после его затвердевания извлекались. В образовавшиеся лидерные отверстия, диаметром равным диаметру сваи, масленкой нагнеталось вазелиновое масло и осуществлялось повторное погружение свай. В результате смазки исключалось трение по боковой поверхности и вся нагрузка передавалась остриём свай (рис.2.4). 3. Для изучения работы только боковой поверхности (рис.2.5), в плоскости острия свай, погруженных способом № I, вырезался игдантин и нижние концы свай исключались из работы. 4. Модели свай, погружались способом № I, но испытания проводились при низком расположении ростверка, который в данном случае контактировал с игдантином (рис.2.б). После погружения моделей свай тем или иным способом, необходимо было устранить трение между стёклами формы и игдантином. Для этого формы разбирались и соприкасающиеся поверхности смазывались вазелиновым маслом.
Подготовленная форма с моделями устанавливалась в специальное загрузочное устройство, позволяющее произвольно перемещать ее по вертикали и горизонтали, а кроме того прикладывать ряд сосредоточенных нагрузок в любые точки, требуемые условиями проведения опыта. Нагружение производилось ступенями до полного разрушения основания. В случае совместной работы свайных фундаментов, на каждой из них передавалась нагрузка равными ступенями. Каждому этапу загружения соответствовала определенная картина полос (рис.2.2 2.6), которая фиксировалась неподвижно ус
Разработка основных положений расчетной схемы передачи нагрузки рядом расположенными кустами свай
Целью данных исследований являлось изучение на пространственных моделях работы взаимодействующих свайных фундаментов в зависимости от изменения расстояния между ними, числа свай, плотности грунта основания, длины свай и положения ростверка.
При исследовании рассматривались следующие вопросы: - изменение несущей способности, осадки и крена в результате совместной работы кустов свай; - распределение усилий между сваями во взаимодействующих фундаментах, а также усилий между остриём и боковой поверхностью каждой сваи куста; - изучение послойных деформаций грунта основания и изменение глубины активной зоны; - проверка, установленных поляризационно-оптическим методом, границ взаимного влияния фундаментов; - влияние характера передачи нагрузки (через остриё или боковой поверхностью) сваями совместно работающих кустов, на степень взаимодействия фундаментов.
Выбор проведения экспериментов на моделях сделан потому,что натурные исследования взаимодействия свайных фундаментов, ввиду необходимости изучения многих влияющих факторов и требующие значительного количества опытов дороги, трудоемки, долговремен - 90 -ны и связаны с большими техническими трудностями.
Моделирование же методом эквивалентных материалов позволяет, при ооблюдении положений теории подобия, исследовать широкий круг вопросов и получать большой объем научной информации в сравнительно короткие сроки, при незначительных материальных затратах.
Основные положения метода разработаны Кузнецовым Г.Н. и др. A3/, а применительно к моделированию системы "свайный фундамент - грунт" развиты Несмеловым Н.С. /53/ и заключаются в следующем: „ - модель грунта и сваи изготовляется из некоторых искусственно подобранных материалов с соблюдением геометрического подобия модели и натуры; - в целях достижения механического подобия материалы, из которых должна изготавливаться модель, подбираются с не произвольными физико-механическими свойствами, а с такими, которые находились бы в определенных соотношениях с физико-механическими константами натуры; - эти соотношения определяются на основании общего закона динамического подобия с учетом одновременного действия сил тяжести и внутренних напряжений; - материал, удовлетворяющий указанным требованиям, при заданных свойствах моделируемого грунта и заданном линейном масштабе модели, получает название эквивалентного данному грунту материала; - модель фундамента также должна удовлетворять требованиям механического подобия натуре; - при соблюдении указанных выше требований, а также необходимых начальных и контурных условий, процессы, происходящие в -модели, должны развиваться в форме, близкой к натуре. При этом, так же как и в натуре, развитие указанных процессов будет происходить с учетом влияния сил тяжести самой модели без применения каких-либо внешних дополнительных пригрузок."
Основу метода составляет общий закон динамического подобия Ньютона /43/ _!%-_Лі-_ к, imr, (3 1) Хм І- йнЗ где К - "определяющий критерий подобия" процессов деформаций и разрушений грунта в условиях действия сил тяжести и напряжений, возникающих в грунте; Хм ; Хн - удельный вес модельного и натурного грунта; і ; 2 линейные размеры моделей свай и натурной сваи; NM» NH - величина, соответствующая различным силовым характеристикам состояния модели и натуры, размерность которых сила/площадь. Формула (3.1) приводится к виду (3.2), по которой подбираются механические характеристики эквивалентных материалов
Для этого, зная характеристики моделируемых пород выраженные некоторыми численными параметрами NH , задавшись масштабом моделирования .г и отношением у #н, при работе эквивалентных материалов в упругой стадии, должны соблюдаться следующие зависимости
Подбор эквивалентных материалов на кафедре МГрОиФ МИСИ им. В.В.Куйбышева для проведения комплексных исследований взаимодействия свай и массива грунта был осуществлен Югаем O.K. /93/ и Бадеевым А.Н. /3/ на основании методики, ранее разработанной Не-смеловым Н.С. /52, 53/ в ЛИИЖТе. По выбранному масштабу моделирования А-я1» используя формулы (3.3 3.6), были получены рас четные величины деформационных и прочностных характеристик моделей свай и грунта. В качестве модели грунта была использована смесь из песка, резиновой крошки и автола в пропорции по весу 2;0,1; 0,2, деформационные и прочностные свойства которой определяются степенью уплотнения. В табл.3.1 приводятся характеристики эквивалентной смеси, при принятой в опытах плотности укладки ее в лоток, и соответствующего грунта натуры. Для удобства, в зависимости от степени уплотнения, в диссертации грунты условно названы слабыми и прочными.
Характеристики эквивалентной смеси Наименование характеристики Размерность Грунт модели ГРУНТЫ натуры слабый прочный слабый прочный Модуль общей деформации Ео МПа 0,2-0,25 0,8-1,0 5 20 Удельное сцепление С МПа 0,0005 0,0015 0,01 0,03 Угол внутреннего трения vj) град. 17 20 17 - 93 -Для системы "свайный фундамент - грунт" по формуле г г Ец.СЬ. (3.7) tM.Cfc.r t№.rp.-z Е н. гр у было рассчитано значение модуля упругости материала модели сваи, которое оказалось равным Ем.СЬ. = 1500 МПа. Модуль упругости винипласта Еь = 1450 МПа, трубки из которого и применялись для моделирования работы железобетонных забивных свай.
Для исследования распределения осевых усилий в сваях и между сваями в кустах, при изучении работы взаимодействующих фундаментов были использованы тензометрические модели свай, конструкция которых разработана Бадеевым А.Н. /3/.
Натурные железобетонные сваи длиной 12, 9, 6 м, согласно \ принятому масштабу -„ , моделировались винипластовыми трубками внешним диаметром 15 мм и внутренним 10 мм, длина которых соответственно составляла 600, 450, 300 мм, а отношение чс\ = 40; 30, 20.
На специально подготовленные участки трубок, в двух уровнях (у головы и острия свай) наклеивались тензодатчики на бумажной основе базой 5 мм и сопротивлением 100 ом. Провода от тензо-датчиков, в целях предохранения их от механических повреждений при погружении свай, пропускались внутри трубки. Изоляция осуществлялась с помощью полиэтиленовой пленки, натянутой поверх датчиков .
Исследование влияния взаимодействия фундаментов на распределение усилий между сваями в кустах
При этом происходит уменьшение сил трения по сторонам свай, обращенным внутрь куста, и следовательно, снижение их несущей способности по боковой поверхности. Но так как у центральной сваи снижение сил трения происходит по всем четырем боковым сторонам, а у угловых свай только по двум, то и несущая способность угловой сваи по боковой поверхности больше. С внешней стороны куста силы трения развиваются в полной мере, и они тем больше, чем прочнее грунт, окружающий фундамент.
Графики распределения нагрузки между остриём и боковой поверхностью (рис.3.116, г; 3.12-3.146,в), построенные по результатам проведенных экспериментов показывают, что в прочных грунтах на боковую поверхность центральной сваи (wd = 40) приходится 20-25$ от общей нагрузки на сваю, по сравнению с 55-60$ у угловой сваи. В слабых грунтах эти значения соответственно равны: для центральной сваи 15$, для угловой 50$. Работа острия свай меньше влияет на неравномерность распределения нагрузки в кусте. Во всех исследуемых случаях, в результате совместной работы свай, наблюдалось увеличение несущей способности острия как у угловых свай куста, так и у центральной.
Изменение длины свай, входящих в состав куста, влияет на соотношение нагрузок, передаваемых остриём и боковой поверхностью. Так с уменьшением длины свай (рис.3.II; 3.12а), разность несущих способностей угловой и центральной свай уменьшается. Это объясняется снижением доли работы боковой поверхности, ввиду уменьшения ее площади, и увеличением доли работы острия.
Данные проведенных модельных испытаний отдельно работающих фундаментов в слабых и прочных грунтах соответственно хорошо согласуются с исследованиями работы натурных кустов свай в слабых водонасыщенных глинистых грунтах Сальникова Б.А. /70/, и Знаменского В.В. /37/, проводившего испытания в суглинках туго-пластичной и полутвердой консистенции.
На рис.З.ІІв, д, е; 3.12-3.14-г, д, е показаны графики распределения нагрузки между остриём и боковой поверхностью свай в случае взаимодействующих фундаментов (пунктирная линия), которые сопоставлены с соответствующими зависимостями (Р) для свай отдельно работающего куста : (сплошная линия). Из этих графиков видно, что взаимодействие повлияло на распределение нагрузки между остриём и боковой поверхностью свай, расположенных по сторонам взаимовлияющих фундаментов, обращенным друг к другу. Назовем эти сваи внутренними. Во всех опытах, у внутренних свай совместно работающих кустов, наблюдалось уменьшение несущей способности по боковой поверхности и увеличение сопротивления нижних концов. Причем при наименьшем расстоянии между фундаментами Vd = б, принятом в данных экспериментах снижение несущей способности боковой поверхности для кустов из свай с tyd = 4-0 было наибольшим и составляло: в прочных грунтах 25$ (рис.З.ІІв), в слабых - 18-23$ (рис.3.12е), а сопротивление нижних концов свай наоборот максимально увеличивалось: в прочных грунтах примерно на 30$, в слабых - на 25$. С увеличением расстояния между фундаментами происходило возрастание несущей способности боковой поверхности внутренних свай и уменьшение сопротивления нижних концов. Так на расстоянии W = 30, для кустов из -свай с - 40, разность несущей способности боковой поверхности внутренней сваи взаимодействующих кустов, и несущей способности боковой поверхности угловой сваи отдельно работающего фундамента незначительна (рис.3.12г, ЗЛЗе, и др.). Это свидетельствует о том, что фундаменты на таком расстоянии работают практически как отдельно расположенные.
Исследование работы свайных фундаментов, взаимодействующих на тех же расстояниях "/d = 6 и Wd = 30, но состоящих из более коротких свай (Vd = 30) рис.3.13; 3.14 показало, что снижение трения по боковым поверхностям внутренних свай и увеличение сопротивления их нижних концов происходит в меньшей степени, чем у более длинных свай. Так, например, у кустов из свай с Щ - 30, расположенных на расстоянии /с = б в прочных грунтах снижение сопротивления боковой поверхности произошло на 20$,по сравнению с 25$ у взаимовлияющих кустов из свай с /d - 40. В слабых грунтах влияние изменения длины свай слабее сказывается на характер передачи нагрузки внутренними сваями.
Изучение работы центральной сваи совместно работающих кустов показало, что взаимодействие фундаментов, независимо от расстояний между ними, принятых в данных экспериментах, вызывало увеличение несущей способности только ее острия, в то время как сопротивление боковой поверхности не претерпевало изменений. Это является характерным отличием работы центральной сваи. При увеличении расстояния между взаимодействующими фундаментами происходит снижение приращения несущей способности острия центральной сваи ( %= 40) в прочных грунтах примерно с 30$ на расстоянии Wd = 6, до 15$ на расстоянии = 30.
