Содержание к диссертации
Введение
2. Анализ результатов экспериментальных исследований к основных положений расчета кустов свай на горизонтальную нагрузку 10
2.1. Экспериментальные исследования работы кустов свай при действии горизонтальных нагрузок и анализ их результатов 10
2.2. Основные положения существующих методов расчета горизонтально нагруженных кустов свай 26
2.2.1. Методы расчета кустов свай по сопротив лению одиночной горизонтально нагруженной сваи 27
2.2.2. Учет взаимовлияния свай при расчете кустов на горизонтальную нагрузку по сопротивле нию одиночной сваи 4^
3. Цели, программа и методика проведения комплексных экспериментальных исследований работы кустов свай на горизонтальные нагрузки 52
3.1. Цели экспершентальных исследований 52
3.2. Программа и методика проведения комплексных экспериментальных исследований 53
3.2.1. Методика изучения закономерностей изме нения несущей способности горизонтально нагруженных кустов свай в зависимости от различных факторов 54
3.2.2. Методика исследования влияния взаимодействия свай на их сопротивление действию горизонтальных усилий 58
3.2.3. Методика исследования влияния защемления головы сваи в ростверк на ее сопротивление действию горизонтальной нагрузки 66
4. Результаты проведенных экспериментальных толкований и их анализ 74
4.1. Результаты исследования закономерностей изменения сопротивления горизонтально нагруженных кустов свай в зависимости от различных факторов 74
4.1.1. Результаты исследований на модельных кустах свай 74
4.1.2. Математико-статистический анализ результатов исследований на модельных кустах свай 81
4.1.3. Результаты испытаний натурных кустов свай 92
4.1.4. Средняя несущая способность сваи в гори зонтально нагруженном кусте, коэффициенскустового эффекта 93
4.2. Результаты исследования взаимовлияния свай в горизонтально нагруженных кустах 101
4.2.1. Исследование взаимовлияния свай по данным замера контактных давлений 101
4.2.2. Исследование взаимовлияния свай по данным замера изгибающих моментов в сваях 113
4.3. Результаты исследования влияния защемления сваи на ее сопротивление действию горизонтальной нагрузки 119
5. Инженерный метод расчета кустов свай на горизонтальную нагрузку по результатам испытаний одиночных свай с учетом взаимовлияния свай в кустах и жесткой заделки их голов в ростверк 132
5.1. Определение коэффициента защемления, учитывающего фактор жесткой заделки голов свай в ростверк 134
5.2. Определение коэффициента взаимовлияния свай, учитывающего их совместную работу в горизонтально нагруженных кустах 143
5.3. Методика расчета кустов свай на горизонтальную нагрузку по результатам испытаний одиночных свай 148
5.4. Пример расчета несущей способности куста свай на горизонтальную нагрузку по разработанной методике расчета 159
5.5. Технико-экономическая оценка предлагаемого метода расчета 162
Основные вьволы по диссертаций 164
Список использованной литературы
- Основные положения существующих методов расчета горизонтально нагруженных кустов свай
- Методика изучения закономерностей изме нения несущей способности горизонтально нагруженных кустов свай в зависимости от различных факторов
- Средняя несущая способность сваи в гори зонтально нагруженном кусте, коэффициенскустового эффекта
- Определение коэффициента взаимовлияния свай, учитывающего их совместную работу в горизонтально нагруженных кустах
Основные положения существующих методов расчета горизонтально нагруженных кустов свай
Существующие в настоящее время методы расчета кустов свай на горизонтальную нагрузку можно подразделить на две основные группы: - методы расчета кустов свай по сопротивлению одиночной горизонтально нагруженной сваи; - методы расчета кустов свай, как единых горизонтально нагруженных систем.
В практике проектирования используется, в основном, первая группа методов. Это связано с тем, что в настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, позволивший разработать удовлетворительные с инженерной точки зрения методы расчета именно одиночных свай.
Методы второй группы, к которым относятся методы Н.М.Герсе-ванова / 14 /, Б.Ф.Горюнова / Н /, Н.И.Шапошникова / В1 /, ЦНИИС Мйнтрансстроя / 88 /, И.А.Симвулиди / 85 / и др. рассматривают горизонтально нагруженные кусты свай как рамные статически неопределимые системы. Эти методы не имеют, как правило, достаточной экспериментальной проверки и в силу условности принятых расчетных схем не позволяют произвести расчет с большей точностью, чем это возможно сделать по методам первой группы. Кроме того, следует отметить и относительную сложность этих методов. В результате методы расчета второй группы не нашли применения при расчете горизонтально нагруженных кустов свай, используемых в промышленном и гражданском строительстве. Исключение составляют опоры мостов, где, как правило, применяются не сваи, а сваи-оболочки большого диаметра (I м и более).
В связи с этим ниже рассмотрены методы расчета горизонталь но нагруженных свайных фундаментов, относящихся только к первой группе.
Усматривая основные положения методик расчета одиночных горизонтально нагруженных свай, ограничимся только теми, которые учитывают жесткую заделку голов свай в ростверк, как наиболее соответ твующими изучаемому вопросу. Одной из первых таких методик была методика В.Н.Голубкова / 19 /. В соответствии с ней горизонтальная нагрузка на жестко заделанную в ростверк сваю определялась из выражения где . J - жесткость поперечного сечения сваи на изгиб, кНм ; 10 - глубина заделки сваи в грунт, м, принимаемая в зависимости от грунтовых условий и материала сваи по таблице 2.3; J) - коэффициент, принимаемый в зависимости от грунтовых условий в пределах глубины заделки сваи по табл.2.3; г - горизонтальное перемещение сваи на уровне поверхности грунта, м.
Метод отличается простотой и, несмотря на условность в определении глубины заделки to и коэффициента Jb , в течение ряда лет включался в нормативные документы, в частности в СНиП 11-Б. 5-62. Кроме формулы (2.3), В.Н,Голубков для практических расчетов рекомендовал таблицу горизонтальных сопротивлений свай при их перемещении на уровне поверхности грунта Лг = 10 мм (таблица 2Л). Огмегим, расчетные сопротивления свай, определенные по формуле (2.3) и по таблице 2.4, не совпадают между собой. ОСНоВНЫМ недостатком методики В.Н.Голубкова является то, что принятая линейная зависимость между горизонтальным усилием и перемещением ограничивает область его применения в соответствии с опытными данными величиной горизонтальных перемещений Л.г= 10 мм.
Этот недостаток учтен в методике В.Б.Шахирева /95,93/, который рассматривает грунт, как деформируемое полупространство, характеризуемое коэффициентом постели, линейно изменяющимся с глубиной, при этом связь между напряжениями и деформациями принята нелинейной. Свая рассматривается, как стержень, защемленный на некоторой глубине от поверхности грунта с допущением (для жестких свай) поворота в месте заделки.
Горизонтальная нагрузка Рр , которая воспринимается сваей с головой, заделанной в ростверк, определяется при заданном перемещении Дг по формуле где к - коэффициент податливости грунта, кН/м4, принимаемый по таблице 2.5; о1 - диаметр круглой или сторона квадратного сечения сваи, м; ЕЇ - жесткость поперечного сечения сваи на изгиб, кНм2; 10 - условная глубина заделки сваи, м, определяемая по формуле l -? , (2.5) К/ - глубина погружения сваи, м; - безразмерный коэффициент, определяемый из графиков на рис.2.2 в зависимости от соотношения E/ r// і ;
Методика изучения закономерностей изме нения несущей способности горизонтально нагруженных кустов свай в зависимости от различных факторов
Основной задачей экспериментальных исследований являлось детальное изучение работы горизонтально нагруженных кустов свай, установление зависимости их сопротивления от различных факторов, выявление основных из них и получение опытным путем необходимых для разработки практического метода расчета функциональных зависимостей, связывающих горизонтальные нагрузки и соответствующие им перемещения ростверка. При этом были поставлены следующие цели: - установить зависимость сопротивления горизонтально нагруженных кустов свай от таких факторов, как число свай в кусте, расстояние между ними длина свай и тип ростверка (низкий или высокий); - изучить закономерности влияния взаимодействия свай на их сопротивление действию горизонтальных усилий в зависимости от числа свай в фундаменте, расстояния между ними и типа ростверка; - исследовать влияние защемления головы сваи в ростверк на ее сопротивление действию горизонтальной нагрузки при работе в составе куста; - опытным путем получить зависимости, необходимые для разработки инженерного метода расчета несущей способности горизонтально нагруженных кустов по результатам испытания горизонтальной нагрузкой одиночной сваи со свободной головой.
В соответствии с поставленными целями программа экспериментальных работ включала испытания на модельных и натурных кустах свай с использованием эквивалентных материалов и современных средств тензометрии.
Поскольку детальное изучение работы горизонтально нагруженных кустов свай требует большого количества испытаний, основной. объем экспериментальных исследований был осуществлен на моделях, что позволило расширив круг рассматриваемых вопросов, значительно сократить объемы и сроки проведения необходимых опытных работ. С другой стороны опыт научных исследований Лаборатории фундаментов глубокого заложения кафедры Механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ, а также других научно-исследовательских лабораторий как у нас в стране, так и за рубежом, показал возможность широкого использования моделей при изучении взаимодействия фундаментов, включая и свайные, и грунтового основания для получения качественных, а в ряде случаев и количественных результатов, позволяющих установить необходимые для разработки новых и совершенствования существующих расчетных методов закономерности.
Наряду с модельными испытаниями программой было предусмотрено проведение большой серии испытаний натурных кустов свай, подтвердивших основные закономерности влияния различных факторов на несущую способность горизонтально нагружена кустов свай, установленных на моделях.
Изучение закономерностей влияния на сопротивление горизонтально нагруженных кустов свай различных факторов, к которым относятся число свай в кусте, шаг их забивки, длина свай и тип ростверка (низкий или ВЫСОКИЙ}, проводилось на модельных и натурных кустах свай в полевых условиях на опытной площадке, выделенной на территории строительства Карагандинского металлургического комбината (КарЩ).
Грунт опытной площадки был представлен бурыми и зеленоватыми глинами полутвердой консистенции, на поверхности находился растительный слой мощностью 0,5-0,8 м, который при устройстве опытной площадки снимался до кровли глинистого грунта. Затем поверхность площадки покрывалась слоем опилок, которые периодически увлажнялись, что предохраняло грунт от высыхания. физико-механические свойства грунтов опытной площадки приведены в таблице 3.1.
Модельные металлические сваи были изготовлены из сварных труб диаметром 48,5 мм с толщиной стенок 2,8 мм. Погружение модельных свай в грунт осуществлялось задавливанием.
Монолитный железобетонный ростверк изготавливался из бетона М 200 и армировался сварными сетками. Головы модельных свай за-моноличивалксь в ростверк на 100 мм, что обеспечивало их жесткую заделку.
Расстояние между модельными кустами принималось не менее 1,0 м, чтобы исключить их взаимное влияние во время проведения опытов.
Средняя несущая способность сваи в гори зонтально нагруженном кусте, коэффициенскустового эффекта
Закономерности изменения несущей способности горизонтально нагруженных кустов свай в зависимости от установленных основных факторов были также исследованы и в натурных условиях на фундаментах из железобетонных свай сечением 30x30 см, погруженных в грунт на глубину 20 d, что являлось средней глубиной погружения при проведении модельных исследований.
Результаты испытаний натурных кустов свай с низким ростверком горизонтальной нагрузкой приведены в виде обобщенных графиков зависимости г = т(Pr) на рис.4.7.
Графики показывают, что как и в случае модельных испытаний, сопротивление горизонтально нагруженных кустов растет с увеличением числа свай в фундаменте. Связь между увеличением числа свай и сопротивлением куста приблизительно линейна, что видно из рис.4.8, и в количественном отношении хорошо совпадает с полученной в результате модельных испытаний.
Совпадение результатов модельных и натурных испытаний имеет место и при исследовании зависимости сопротивления горизонтально нагруженных кустов от расстояния между сваями. На рис.4.9 показа ны графики Дг = по результатам испыта ний кустов из 4 свай при шаге забивки 3, 4,5 и б d. Из графиков на рис.4.10 видно, что сопротивление этих кустов увеличивалось с ростом расстояния между сваями примерно в той же пропорции, что и в случае модельных испытаний.
Таким образом, результаты натурных испытаний, которые несмотря на сложность, длительность и высокую стоимость позволяют наиболее полно и с высокой степенью надежности исследовать работу любой строительной конструкции, в том числе и горизонтально нагруженного куста свай, полностью подтвердили результаты модель ных испытаний как в качественном, так и в количественном отношении.
Значительный интерес при исследовании работы горизонтально нагруженных свайных фундаментов представляет вопрос о различии в сопротивлении одиночной сваи и сваи, работающей в составе куста. Этот интерес объясняется тем, что в настоящее время наиболее надежным методом, позволяющим оценить несущую способность горизонтально нагруженного свайного фундамента с учетом всех геологических и гидрологических факторов является испытание одиночной сваи горизонтальной статической нагрузкой.
Как уже указывалось выше, программой испытаний как модельных, так и натурных кустов свай было предусмотрено испытание одиночных свай со свободной головой, что позволило получить необходимый для сравнения материал.
В таблице 4.5 приведены данные о средней несущей способности свай в горизонтально нагруженных кустах, определенной, как сопротивление куста при горизонтальном перемещении ростверка на уровне поверхности грунта, равном 1,0 мм для модельных и 10 мм для натурных, деленное на число свай в фундаменте, т.е. PrKAtv Эти данные показывают, что средняя несущая способность сваи в кусте Ре к уменьшается с увеличением числа свай в фундаменте. Для наглядности рассматриваемая зависимость приведена в виде графиков на рис.4.11. Характер установленной зависимости для модельных и натурных испытаний практически совпадает.
С увеличением расстояния между сваями средняя несущая способность сваи в кусте возрастает, а ее зависимость от числа свай в фундаменте уменьшается (см.рис.4.12).
Это еще раз говорит о сложном характере взаимодействия свай в горизонтально нагруженном кусте и грунтового основания, что проявляется, в частности, во взаимодействии свай при их совместной работе. При расстоянии между сваями 3d это взаимодействие в проведенных опытах проявляется в значительной степени, в результате чего средняя несущая способность сваи зависит как от числа свай в кусте, так и от расстояния между ними.
Определение коэффициента взаимовлияния свай, учитывающего их совместную работу в горизонтально нагруженных кустах
Коэффициенты взаимовлияния свай Квв могут быть определены и по фактической нагрузке,приложенной к кусту. В этом случае здесь Рг ь - фактическая горизонтальная нагрузка, приложенная к кусту, кН; Рго - сопротивление одиночной сваи действию горизонтальной нагрузки, соответствующее перемещению, равному перемещению куста при Р ф , кН; tv - число свай в кусте. Значения коэффициентов Квв, определенных по формуле (4.20), также приведены в таблице 4.12.
Данные таблицы 4.12, приведенные в виде графиков на рис. 4.19, показывают, что хотя и существует различие в коэффициентах Квв, определенных по фактической нагрузке и по данным замера контактных давлений, закономерности их изменения в зависимости от числа свай в кусте и расстояния между ними одинаковы. В обоих случаях взаимовлияние свай, характеризуемое коэффициентом К , нелинейно уменьшается с увеличением числа свай, при этом интенсивность уменьшения коэффициента Квв снижается. При увеличении расстояния между сваями коэффициент Кзв увеличивается. Эта зависимость также нелинейна и также имеет тенденцию к уменьшению.
Как указывалось в программе проведения экспериментальных работ, исследования закономерностей распределения усилий между сваями горизонтально нагруженного куста с целью изучения их взаимовлияния проводились не только по методу замера контактных давлений, но и по методу замера изгибающих моментов, действующих в различных сечениях по длине свай. Последний метод позволяет определить нагрузку на сваю с большей точностью, так как возникающие в сечениях сваи изгибающие моменты интегрально учитывают все действующие на нее усилия, в том числе и силы трения по боковой поверхности свай. Был изменен также геометрический масштаб и материал модельных свай, что также изложено в пункте 3.2.2 настоящей работы.
На рис.4.20 приведен пример построенных по результатам испытаний эпюр изгибающих моментов и поперечных сил для куста из 4 свай при шаге их погружения 3 oL . Аналогичные эпюры были построены и для других испытанных кустов, что позволило установить распределение горизонтальных усилий между сваями. Полученные данные сведены в таблицу 4.13, где также приведены коэффициенты J\Tt » определенные по формуле (4.17), и коэффициенты взаимовлияния свай Квв, найденные по формуле (4.19). Отметим, что коэффициенты К , найденные по формулам (4.19" и (4.20), практически совпали. Для более удобного чтения таблицы 4.13 на рис.4.21 приведена схема расположения свай в опытных кустах по номерам.
Разница в коэффициентах Квв в таблицах 4.12 и 4.13 несущественна (не превышает 8%), в результате в проведенных опытах сохранились и закономерности изменения коэффициентов взаимовлияния от числа свай в кусте и расстояния между ними, что важно, так как эти закономерности получены двумя различными способами на разных моделях.
Дополнительно к данной серии опытов был более подробно рассмотрен вопрос о зависимости коэффициента взаимовлияния от расстояния между сваями. Для этого испытывался куст из 4 свай при шаге их погружения, изменяющемся от 3 до 10 d , в результате чего было установлено минимальное расстояние между сваями, при котором пропадало их взаимовлияние. На примере испытанного куста из 4 свай это расстояние составило 9-Ю d , а график изменения коэффициента Квв в данном диапазоне изменения расстояния между сваями показан на рис.4.22 и имеет явно выраженный затухающий характер.
- 118 Для подтверждения полученного результата были проведены и специальные опыты, целью которых являлось установление размеров "зоны влияния" около одиночной сваи, нагруженной горизонтальной нагрузкой. Опыты заключались в определении зоны деформации грунта перед одиночной горизонтально нагруженной сваей по маркам, установленным в массиве. Опыты проводились в лотке круглого сечения диаметром и глубиной 1,2 м, заполненном мелким однородным песком при средней плотности его укладки, что соответствовало следующим физико-механическим характеристикам: удельный вес -1 7 1,75 кН/м , весовая влажность - 4 5%, коэффициент пористости - 0,68 0,71 угол внутреннего трения - 26 27, модуль общей деформации - к,4 МПа.
Металлическая пустотелая свая сечением 50x50 мм, длиной 1,1 м фиксировалась строго вертикально в центре лотка, после чего проводилась укладка песка слоями по 20 см с трамбованием до требуемого удельного веса. На глубине бd- от поверхности, что соответствовало 30 см, перед сваей в грунте устанавливались марки, соединенные металлическими струнами через отверстия в лотке с индикаторами часового типа.
Здесь надо отметить, что глубина закладки марок, равная 30 см, была выбрана из следующих соображений. В плоском лотке с прозрачной стенкой, покрытой меловым раствором, была испытана горизонтальной нагрузкой свая такого же размера с целью фиксации характера деформаций грунта, о котором судили по траекториям перемещений частиц песка. Результат одного из таких опытов, приведенный на рис.4.23, показывает, что максимальное горизонтальное перемещение частиц грунта в условиях поставленного эксперимента соответствует уровню, расположенному приблизительно на глубине б d- или 30 см. Это и послужило основанием для установки марок именно на этой глубине.
