Содержание к диссертации
Введение
1. Использование свайных конструкций для укрепления оползнеопасных склонов 9
2. Анализ напряженно-деформированного состояния грунтов при взаимодействии со свайными рядами. Один ряд свай 33
2.1. Расчетная модель и методика исследования взаимодействия грунта со свайными рядами 34
2.2. Формирование зон пластических деформаций под действием оползневой нагрузки 48
2.3. Влияние конфигурации ряда свай на формирование зон пластических деформаций 59
2.4. Влияние прочностных свойств грунтов на развитие зон пластических деформаций 74
2.5. Определение предельных давлений на свайные элементы при продавливании грунта 82
3. Анализ напряженно-деформированного состояния грунтов при взаимодействии с двумя рядами свай 88
3.1. Исследование взаимодействия оползневого грунта с двумя рядами свай 89
3.1.1. Один (ломаный) ряд свай 90
3.1.2. Полуторорядное свайное сооружение 114
3.1.3. Двухрядное свайное сооружение 124
3.1.4. Два отдельно-стоящих ряда свай 136
3.2. Влияние шага свай на напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства 139
3.2.1. Два ряда свай, второй ряд - отдельно-стоящие сваи 140
3.2.2. Отдельно-стоящие сваи 145
3.3. Влияние прочностных свойств на напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства двухрядного сооружения 151
3.4. Исследование оползневых давлений на элементы свайного сооружения 158
4. Разработка методики расчета удерживающих свайных сооружений с учетом их конфигурации и внедрение в практику строительства 167
4.1. Аппроксимация зависимостей критического оползневого давления и предельного шага свай 168
4.2. Сопоставление результатов исследования напряженно-деформированного состояния околосвайного грунта с известными данными 179
4.3. Разработка рекомендаций по проектированию и методики расчета одно- и двухрядных свайных удерживающих
сооружений 186
4.4. Внедрение разработанной методики при проектировании свайных удерживающих сооружений 197
4.5. Разработка рациональных конструкций свайных противооползневых сооружений 206
Выводы 220
Литература 222
Приложения 232
- Использование свайных конструкций для укрепления оползнеопасных склонов
- Формирование зон пластических деформаций под действием оползневой нагрузки
- Влияние шага свай на напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства
- Сопоставление результатов исследования напряженно-деформированного состояния околосвайного грунта с известными данными
Введение к работе
Строительство новых и реконструкция существующих объектов часто связано с вопросами инженерной защиты территорий от образования и активизации различных геодинамических процессов. Особенно актуальна проблема возникновения оползней для горной части Краснодарского края в условиях вынужденной подрезки склонов, устройства значительных выемок и насыпей в глинистых грунтах, а также наличия высоких строительных и эксплуатационных нагрузок на откосах и склонах. Возникновение оползней приводит к недопустимым деформациям, нарушению устойчивости и даже разрушению различных инженерных сооружений. Воздействию оползней подвергаются производственные и жилые постройки, а также трубопроводы, автомобильные и железные дороги. Это приводит к значительным ежегодным убыткам.
В качестве одной из мер по защите от обрушения и укрепления ослабленных участков откосов и склонов часто применяются конструкции из бу-ронабивных свай, защемленных в подстилающие несменяемые грунты и объединенных ростверком. Такое конструктивное решение часто является оптимальным, а иногда и единственным приемлемым решением. При этом по причине высокого оползневого давления, нередко возникает необходимость возведения многорядных, в частности двухрядных, свайных сооружений.
Вместе с тем, механизм взаимодействия грунта оползней с элементами многорядных конструкций изучен недостаточно. Известные методики в силу принятых в них упрощений и допущений в настоящее время определяют значительные погрешности при проектировании противооползневых удерживающих сооружений. Безопасность и надежность работы таких конструкций при этом обеспечивается принятием высоких коэффициентов запаса. Это приводит к увеличению материалоемкости, трудоемкости возведения удерживающих сооружений и снижению их экономической эффективности.
Целью проведенных исследований являлась разработка рациональных конструкций и рекомендаций по проектированию свайных противооползневых сооружений, а также методики их расчета с учетом взаимовлияния рядов свай и внедрение в практику инженерной защиты территорий.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:
проанализировать существующие методы расчета свайных удерживающих сооружений на оползнеопасных склонах;
исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) оползневых грунтов околосвайного пространства однорядных и двухрядных сооружений при различных нагрузках вплоть до продавливания грунта между сваями;
установить характер и степень влияния конфигурации удерживающего сооружения и физико-механических свойств оползневых грунтов на их НДС при взаимодействии со сваями;
исследовать закономерности изменения критического давления продавливания грунта и распределения давлений между рядами свай в зависимости от конфигурации многорядного сооружения и свойств оползневых грунтов;
разработать рекомендации по рациональному проектированию однорядных и двухрядных свайных удерживающих сооружений.
разработать методику расчета удерживающего сооружения с учетом особенностей взаимодействия оползневых грунтов со сваями в ряду и между рядами;
разработать рациональные конструкции противооползневых свайных сооружений.
В диссертационной работе использованы следующие методы исследований:
математическое моделирование взаимодействия грунтов со сваями методом конечных элементов на основе упруго-пластической модели;
аппроксимация полученных графических зависимостей критического оползневого давления на сваи и предельного шага свай;
сопоставление полученных результатов расчета НДС грунтов с данными известных теоретических и экспериментальных исследований. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
получены новые данные о НДС грунтов околосвайного пространства одно- и двухрядных сооружений при различных оползневых нагрузках вплоть до продавливания грунта между сваями. Выявлены основные характерные типы взаимодействия грунта со сваями в зависимости от конфигурации удерживающего сооружения;
установлены предельные расстояния между сваями в ряду и между рядами, определяющие удержание грунта между сваями, в зависимости от свойств оползневых грунтов. Получены зависимости критического давления продавливания грунта и распределения давлений между рядами свай от конфигурации удерживающего сооружения и свойств оползневого грунта с учетом взаимного влияния рядов;
разработана методика расчета однорядных и двухрядных удерживающих сооружений с учетом взаимного влияния свай в ряду и между рядами.
разработаны рациональные конструкции противооползневых свайных сооружений.
Практическое значение исследований. Предложенная методика расчета противооползневых свайных сооружений позволяет обоснованно определить рациональную конфигурацию удерживающего сооружения с учетом взаимного влияния рядов свай.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена применением широко известных современных геотехнических программных комплексов, сопоставлением полученных численных результатов с данными известных аналитических и экспериментальных исследований, а также практикой применения предложенной методики при проектировании реальных противооползневых сооружений, возведенных на ряде ответственных объектов в Краснодарском крае.
Реализация работы. Результаты диссертационных исследований и разработанная на их основе методика расчета одно- и двухрядных удерживающих сооружений были использованы при проектировании инженерной защиты на объектах: расширение резервуарного парка на ЛПДС "Крымская" на 200 тыс. м3; газопровод высокого давления "Адлер - Красная поляна"; магистральный газопровод и КС "Краснодарская" проекта "Голубой Поток" -Россия - Турция; аммиакопровод ОАО "Толяттиазот" в п. Волна (Тамань); нефтебаза "Грушовая" АО "Черномортранснефть"; санаторий "Правда", в г. Сочи, а также при экспертизе проектов противооползневой защиты ряда сооружений в г. Сочи и других объектов. Экономический эффект от внедрения предложенной методики расчета свайных рядов при проектировании сооружений инженерной защиты на оползнеопасном участке 19а газопровода Россия-Турция составил 877 тыс. руб. в ценах 2005 г.
На защиту выносятся:
результаты исследования НДС оползневого грунта при взаимодействии со сваями одно- и двухрядных удерживающих сооружений;
зависимости критического давления продавливания грунта между сваями и распределения давлений между рядами от конфигурации удерживающего сооружения и свойств оползневых грунтов;
рекомендации и методика проектирования удерживающих сооружений с учетом особенностей взаимодействия оползневых грунтов со сваями в ряду и между рядами.
~ рациональные конструкции противооползневых свайных сооружений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 2001-2004); региональных (Краснодар, 2003-2005); всероссийских (Пермь, 2004); и международных (Туапсе, 2003; Ростов-на-Дону, 2004; Турин, 2005; Волгоград, 2005); на ряде семинаров кафедры оснований и фундаментов КубГАУ (Краснодар, 2003-2005), а также была заслушана на кафедре «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ (Волгоград, 2005).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано восемь печатных работ, получены один патент и три положительных решения на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов - общий объем 135 страниц текста и 101 рисунок, а также списка литературы - 94 наименования.
Диссертационные исследования проведены на кафедре оснований и фундаментов Кубанского государственного аграрного университета в период с 2001 по 2005 гг. под руководством кандидата технических наук, доцента кафедры строительных материалов и конструкций Мация Сергея Иосифовича, которому считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание к работе.
Автор выражает искреннюю признательность доктору геолого-минералогических наук, Заслуженному строителю РФ Константину Шагено-вичу Шадунцу и кандидату технических наук, доценту кафедры оснований и фундаментов Олегу Юрьевичу Ещенко за помощь и ценные советы при выполнении исследований.
Использование свайных конструкций для укрепления оползнеопасных склонов
Под оползневыми процессами обычно понимают смещение вниз по склону некоторого объема грунтовых масс под действием гравитационных сил [33], а также в результате дополнительных силовых воздействий (сейсмические ускорения, пригрузка склона или бровки откоса и т.п.). Во многих случаях медленная, часто неуловимая на глаз деформация склонов идет непрерывно [31]. И оползень представляет собой лишь бурное проявление процесса, предварительно подготовляемого в течение длительного времени.
Проблемам устойчивости склонов и стабилизации оползневых подвижек посвящены труды отечественных и зарубежных ученых: А. А. Бартоломея, А. Н. Богомолова, Л. К. Гинзбурга, Н. М. Гольдштейна, А. Л. Готмана, Э. М. Доброва, Ю. К. Зарецкого, В. Д. Казарновского, Э. В. Калинина, Н. Н. Маслова, С. И. Мация, Г. Д. Недри, Г. П. Постоева, Ю. И. Соловьева, Л. Р. Ставницера, 3. Г. Тер-Мартиросяна, Г. И. Тер-Степаняна, В. Г. Федоровского, В. К. Цветкова, К. Ш. Шадунца, Д. М. Шапиро, Г. М. Шахунянца, М. А. Шубина, Т. Адаши, К. Виджиани, Т. Ито, М. Кимуры, Т. Мацуи, X. Г. Паулоса, Р. Хеннеса, В. П. Хонга, Л. Т. Чена, Т. Ямагами и многих других.
Определение степени устойчивости склона производится с учетом многих факторов. Выбор расчетной модели при этом определяется типом оползневых смещений. Существует целый ряд классификаций оползней [31, 40] в зависимости от типа и скорости смещения, состояния грунта по влажности и других внешних признаков. Для выбора наиболее эффективных путей обеспечения надлежащей устойчивости склонов и откосов часто применяется классификация, разработанная Н. Н. Масловым [31]. Он выделяет: обвалы и вывалы, обрушение со срезом и вращением, скольжение (соскальзывание), покровные оползни, оплывы, скол при просадке. Каждый из видов деформа ций характеризуется скоростью смещений (от місут до м/с), определяющей характер необходимых защитных мероприятий.
Одними из самых распространенных видов на территории Черноморского побережья Кавказа (ЧПК) являются оползни течения, характеризующиеся небольшой глубиной (до 7 метров), пластической консистенцией грунтов, сейсмическими нагрузками. Наиболее часто такие оползни укрепляются свайными удерживающими сооружениями [67].
Исследования движения оползней направлены на получения наиболее достоверных данных о напряженно-деформированном состоянии грунтовых массивов, которые могут быть использованы для оценки необходимости их укрепления и расчета параметров удерживающих, в частности свайных, сооружений. Для нахождения наиболее вероятных поверхностей скольжения и определения оползневых давлений широко применяются упругие и упруго-пластические модели.
Большую роль при проектировании мероприятий инженерной защиты оползнеопасных склонов имеет распределение оползневого давления по глубине. Разные авторы рекомендуют применение различных эпюр давления грунта на сооружение: от равномерно распределенных (прямоугольных) [10] и линейно изменяющихся с глубиной (треугольник, трапеция) [41, 56] до криволинейных, подчиняющихся сложным нелинейным зависимостям [93]. Некоторые авторы отмечают зависимость формы эпюры давления грунта на сваи от величины оползневой нагрузки [27].
При решении упругой задачи с для весомой изотропной полуплоскости с трапециевидным вырезом на ее границе, обычные формы эпюр были уточнены [3]. В результате исследований сделан вывод о форме эпюры оползневого давления в виде криволинейной трапеции. Отмечено, что неучет вертикальной составляющей оползневого давления на сооружение приводит к недооценке [4] осадок и кренов сооружений, расположенных на оползневом склоне.
С целью оценки поведения свайного фундамента на склоне применена модель [5] в виде однородного линейно упругого полупространства. По результатам исследований сделан вывод, что на величину горизонтального смещения особенно влияет соотношение вертикальной и горизонтальной нагрузок, так как они определяют форму деформирования грунта в основании сваи. Отмечено, что величина вертикальной нагрузки на свайное сооружение на склоне [30] снижает значение его перемещений и изменяет форму деформирования.
Исследователями указывается, что укрепление откоса свайным сооружением, состоящим из одного или .нескольких рядов свай, вызывает изменение его напряженно-деформированного состояния. Поэтому в идеале необходим совместный анализ устойчивости оползневого массива с учетом внедренных удерживающих конструкций. Предлагаются модели на основе решений теории предельного равновесия [72, 90], а также упругой и упруго-пластической задач [9, 60, 61]. Основной причиной повышения коэффициента устойчивости склона в результате устройства свайных рядов А. А. Бартоломей и А. Н. Богомолов считают [2] образование зон с различными физико-механическими свойствами: массива ненарушенного грунта, уплотненного грунта межсвайного пространства (в случае применения забивных свай) и ствола сваи. Поэтому на участках поверхности скольжения, пересекающих сооружение и области уплотненного грунта околосвайного пространства, возникают дополнительные силы сопротивления, обуславливающие повышение общей устойчивости откоса. С использованием упругой модели откоса в плоской постановке, учитывающей наличие в теле однородного откоса «стены в грунте» с определенными прочностными и деформативными характеристиками, В. К. Цветковым [60] получено уравнение устойчивости укрепленного откоса
Формирование зон пластических деформаций под действием оползневой нагрузки
С целью анализа взаимодействия оползневых грунтов со сваями однорядного удерживающего сооружения исследовались поля относительных перемещений и деформаций, а также зон пластических деформаций грунта [35, 84]. Направления перемещений приняты относительно вектора оползневого давления. Направления главных деформаций в каждой точке модели рассматривались относительно вектора оползневого давления или поверхности свай. Часть боковой поверхности сваи, обращенная навстречу оползневому давлению названа фронтальной, а обратная — тыльной стороной. Описание положения, размеров и направлений развития характерных областей деформаций грунта около сваи производилось в долях от полупериметра ее боковой поверхности (от крайней точки с фронтальной до противоположной точки - с тыльной стороны).
Рассмотрен процесс деформирования грунтов околосвайного пространства под действием оползневой нагрузки, возрастающей от нуля до предельной величины. Свойства грунта характерны для большинства оползневых грунтов Краснодарского края, представленных суглинками. Удельное сцепление с принимается равным 10 кПа, угол внутреннего трения (р— 10, коэффициент трения грунта о сваю TJ = 0.6 (трение глинистого грунта по бетону). Для изучения деформирования грунта околосвайного пространства с учетом взаимовлияния смежных элементов, принято расстояние между сваями, которое обеспечивает совместное их сопротивление продавливанию грунта. При данных прочностных характеристиках оползневого грунта оно составляет L 2D.
При незначительных оползневых нагрузках грунт околосвайного пространства начинает деформироваться. На некотором удалении от свайного ряда, выше сооружения по склону, грунт уплотняется равномерно по всему фронту конструкции (рисунки 2.7-а, 2.8-а). Перемещения грунта только продольные, равномерно убывающие по величине по мере приближения к сооружению. Главные деформации представлены векторами деформаций уплотнения (рисунок 2.9-а), ориентированными вдоль направления оползневого давления. Поперечные деформации грунта отсутствуют. Здесь наблюдается одноосное уплотнение грунта без возможности бокового расширения.
В районе сооружения на полях относительных деформаций, а также продольных и поперечных смещений грунта наблюдается появление зоны влияния свайного ряда (рисунки 2.7-а...2.10-а). Ее размеры ограничиваются (2-2.5)/) выше и (1-1.5)1) - ниже сооружения по склону. Здесь происходит отклонение перемещений оползневого грунта от первоначального направления. Грунт деформируется по форме «обтекания» свай в сторону межсвайного просвета. Одноосное уплотнение грунта сменяется двухосным деформированным состоянием, вектора главных деформаций отклоняются от вектора оползневого давления в направлении свай.
Перед сваями образуются симметричные области относительных поперечных смещений грунта, направленных в сторону оси межсвайного просвета (рисунок 2.8-а). Максимальные величины поперечных перемещений наблюдаются ближе к свае в районе первой четверти ее полупериметра. В пределах зоны влияния свайного ряда происходит перераспределение напряжений в массиве грунта с концентрацией по контакту грунта со сваями (рисунок 2Л1). Наибольшие значения напряжений наблюдаются непосредственно перед сваями.
В створе межсвайного просвета образуется по форме напоминающая воронку область стеснения (сжатия) грунта (рисунок 2.12). В пределах этой области относительные деформации грунта представлены только векторами главных деформаций уплотнения (рисунок 2.12-а). Позади оси сооружения состояние всестороннего сжатия грунта сменяются деформациями уплотнения между сваями с возможностью расширения в направлении продавлива-ния. В створе свайных элементов перед сооружением выделяются области в форме вытянутых клиньев (рисунок 2.12-6). Здесь деформации грунта представлены векторами главных деформаций уплотнения (ориентированных в сторону свай) и боковых деформаций расширения (ориентированных, соответственно, в направлении «обтекания» свай). В непосредственной близости от оси свайного ряда, направления наибольших главных деформаций уплотнения образуют поле векторов арочного очертания. Вне зоны влияния, позади свайного ряда, поле относительных перемещений фунта остается однородными. Все перемещения одинаковы по величине и параллельны вектору оползневого давления. Относительные деформации грунта практически отсутствуют.
Наиболее интересным с точки зрения изучения взаимодействия грунта со сваями в пределах данной фазы нагружения, является распределение деформаций и напряжений в грунте по контакту со сваей. Непосредственно перед сваей с фронтальной ее стороны, наблюдаются максимальные величины деформаций уплотнения грунта (рисунок 2.12-6). Вектора главных деформаций уплотнения здесь ориентированы по нормали к поверхности сваи, а вектора боковых деформаций расширения, соответственно - по касательной. Вдоль поверхности сваи от ее фронтальной части в сторону межсвайного просвета изменяется соотношение главных деформаций уплотнения и расширения, а также их ориентация к поверхности сваи (рисунок 2.12-в). Вели чины главных деформаций уплотнения уменьшаются, а деформаций расширения - увеличиваются. Наклон векторов главных деформаций уплотнения к поверхности сваи уменьшается приблизительно до 40 град. В районе межсвайного просвета главные деформаций уплотнения и расширения становятся равными по абсолютной величине.
Позади оси свайного ряда соотношение главных деформаций меняется в пользу деформаций расширения. Далее по направлению к тыльной части сваи наклон векторов главных деформаций уплотнения к касательной уменьшается до нуля (рисунок 2.12-г). Вектора главных деформаций расширения становятся нормальными к поверхности сваи. Таким образом, в районе сваи выделяются следующие зоны: область уплотнения грунта перед свайным элементом; проскальзывания с уплотнением до середины полупериметра сваи со стороны межсвайного просвета; проскальзывания с отрывом - позади оси свайного ряда; а также растяжения и отрыва грунта позади свай.
Влияние шага свай на напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства
С целью оценки влияния шага свай на напряженно-деформированное состояние околосвайного грунта при взаимодействии с двумя рядами свай изучены поля относительных перемещений и деформаций грунта при различных расстояниях в створе между смежными сваями — L = (1.125-5.0)D и между рядами - Н = (0.125-4.0) . Установлено, что все описанные выше типы взаимодействия грунта со сваями характерны и при более редком расположении свай в ряду — вплоть до расстояния в створе между смежными сваями L = 1.5D. При больших шагах свай размеры характерных областей пластических деформаций отличаются от описанных выше. Однако соответствующий им характер взаимодействия грунта со сваями сохраняется. При этом изменяются значения расстояний между рядами свай Н, соответствующих переходу от одного механизма деформирования грунта при продавлива-нии между сваями к другому (рисунок 3.29). При шаге в створе смежных свай L " 1.5D они соответственно составляют: один ломаный ряд свай Н от 0.13 до 0.63D; полуторорядное сооружение /7от0.75 до 1.25Z); двухрядное сооружение Н от 1.5D до 2.50D; два отдельно-стоящих ряда свай Н 2.15D.
С увеличением шага в створе смежных свай L до (1.75-2.0)Д двухрядный тип взаимодействия грунта со сваями не проявляется. При этом изменяются интервалы величин междурядных расстояний Н для ломаного ряда свай, полуторорядного сооружения и двух отдельно-стоящих рядов свай: (0-1.25)Д (1.5-2.5) и более 2.5D соответственно. При увеличении шага в створе смежных свай до L до 2.5D не проявляется и полуторорядный тип взаимодействия грунта со сваями. При этом интервал междурядных расстояний Н для типа сооружения «один ломаный ряд свай» изменяется и составляет (0-1 J5)D, а для двух отдельно-стоящих рядов свай - более 2.0D соответственно.
Вместе с тем, при величине шага в створе смежных свай L более 1.5 и соответственно расстоянии между рядами свай более (2.5-2.75)D механизм взаимодействия грунта со сваями «два отдельно-стоящих ряда свай» заметно изменяется.
При малых оползневых нагрузках, шаге в створе смежных свай L = 1.75 и расстоянии между рядами Н = 2.75D напряженно-деформированное состояние грунта околосвайного пространства характерно для взаимодействия грунта с двумя отдельно-стоящими рядами свай. Область деформаций уплотнения грунта перед сваями охватывает первую половину полупериметра свай (рисунок 3.25-а). Тыльную половину свай занимает область деформаций растяжения грунта позади свай. При этом соотношение их величин характерно для достаточно редкого расположения свай в ряду. Уже при незначительных оползневых смещениях, деформации растяжения грунта позади свай превышают величины деформаций уплотнения перед сваями. Характер распределения деформаций по периметру одинаков для свай первого и второго ряда. Однако их величины различаются - деформации уплотнения грунта перед сваями первого ряда приблизительно на 44% больше, чем перед сваями второго. Величины деформаций грунта растут пропорционально величине оползневого давления.
С увеличением оползневой нагрузки появляется локальная область проскальзывания грунта по боковой поверхности свай (рисунок 3.26-6). Ее формирование начинается в начале второй трети полупериметра сваи первого ряда. Она развивается в сторону оползневого давления и продавливания грунта, достигая при этом третьей трети полупериметра сваи. Перед сваей образуется клиновидная область пластических деформаций, которая объединяется с контактной. Здесь происходит характерное перераспределение деформаций грунта и образование клина уплотненного грунта перед сваей (рисунок 3.25-6). Далее с увеличением оползневой нагрузки происходит разви тие клиновидной области в сторону оползневого давления и смежной сваи первого ряда.
Образование локальной области проскальзывания по контакту со сваей второго ряда и клиновидной области перед сваей происходит после формирования клина уплотненного грунта перед сваей первого ряда (рисунки 3.23-в...3.26-в). Длина клина уплотненного грунта при этом перед сваями обоих рядов одинакова. При увеличении оползневого давления длина уплотненного клина несколько растет, угол при вершине уменьшается. У свай второго ряда образуются «лепестковые» области пластических деформаций грунта (рисунки 3.23-г, 3.24-г). Необходимо при этом отметить их локальный характер. К моменту пластического течения грунта появляются смыкающиеся «лепестки» пластических деформаций между сваями первого ряда (рисунки 3.23-д, 3.24-д).
Таким образом, при шаге в створе смежных свай более L = (1.5-1.625)D и расстоянии между рядами Я более 2.75/) совместные области пластических деформаций у смежных свай второго ряда размыкаются и локализуются. Во втором ряду грунт удерживается только в пределах зон влияния отдельных свай, за границами которых происходит свободное смещение грунта. Между сваями сооружения грунт деформируется, обтекая и продавливаясь между сваями первого ряда, затем свободно перемещается между рядами и обтекает сваи второго ряда. Сооружение работает как два ряда свай, второй из которых - отдельно-стоящие сваи.
При шаге в створе смежных свай L более 3.0D механизм деформирования грунтов околосвайного пространства существенно отличается от описанных выше типов взаимодействия грунта со сваями при их более тесном расположении в ряду. Ниже рассмотрен процесс деформирования грунтов между двумя рядами свай, с шагом в створе смежных свай L = 3.25D и расстоянии между рядами Н = (0.125-4.0)D.
При расстоянии между рядами Н = 0.125D взаимодействие грунта со сваями подобно описанному выше, в п. 2.3. При малых оползневых нагрузках продольные перемещения грунта между сваями и позади сооружения составляют более 60% величины оползневого смещения. Распределение деформаций вдоль поверхности свай обоих рядов характерно для редкого расположения свай в ряду. Деформации отрыва грунта позади свай значительно превышают величины деформаций уплотнения перед сваями. Область деформаций уплотнения по контакту грунта со сваей охватывает первую половину полупериметра свай обоих рядов. Соответственно, область деформаций отрыва грунта от свай занимает вторую половину полупериметра свай. Максимальные величины деформаций растяжения позади свай концентрируются в районе конца второй трети ее полупериметра.
Вместе с тем, поля напряжений и деформаций грунта у свай первого и второго рядов по сравнению с однорядным расположением при том же шаге свай теряют симметричность. При данном расстоянии между рядами величины деформаций у сваи второго ряда несколько ниже, чем у сваи первого ряда. Разница деформаций уплотнения перед смежными сваями составляет около 0.1% и деформаций растяжения позади свай порядка 4% соответственно.
Сопоставление результатов исследования напряженно-деформированного состояния околосвайного грунта с известными данными
Вопросами взаимодействия грунта со сваями удерживающих сооружений с целью разработки методик их расчета занимались многие российские и зарубежные ученые. Одним из первых формулы определения предельно-допустимого расстояния между контрфорсами из условия удержания грунта получил К. Ш. Шадунц [66]. Предложенное им решение основано на решениях теории пластичности, которое позже было развито С. И. Мацием [34] для свайных рядов, размещенных под углом к направлению оползневого давления. На основании рассмотрения статического равновесия жесткого грунтового тела между сваями японскими учеными Ито Т. и Мацуи Т. [78] аналитически были получены зависимости предельных величин оползневого давления и давлений на сваи. При выводе формул учтена мощность оползневого тела и отпор грунта позади свайного ряда, обусловленный наличием бытового давления. Отечественная нормативная литература [47] рекомендует рассчитывать предельное расстояние между сваями из условия соблюдения статического равновесия сил оползневого давления и сопротивления по сторонам клина уплотненного грунта перед сваями. При этом совершенно не учитывается прочность грунта между сваями. Для решения задачи также была применена теория арочного эффекта [19]. Поскольку она хорошо разработана для песчаных грунтов, в расчетах связанных с глинистыми грунтами, имеет ограниченное применение.
Вместе с тем, несмотря на несомненную ценность известных исследований, они не позволяют выполнить оценку особенностей напряженно-деформированного состояния грунтов при взаимодействии со сваями многорядных удерживающих сооружений, а также предельных размеров зон пластических деформаций грунта околосвайного пространства. Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния грунта при продав ливании между рядами свай на основе упруго-пластической модели позволили получить необходимые данные и приблизиться к решению задачи.
Оценка корректности полученных результатов произведена сопоставлением с данными известных теоретических и экспериментальных исследований. Выполнено сравнение полученных расчетом характерных зон пластических деформаций с результатами моделирования взаимодействия грунта со сваями методом граничных элементов и данными лабораторных экспериментов [34]. В результате установлено качественное подобие характерных областей пластических деформаций при продавливании грунта между сваями одного ряда, полученных расчетом на основе упруго-пластической модели, с известными экспериментальными данными.
Установлено, что при продавливании грунта между сваями однорядного сооружения образуются характерные области пластических деформаций, подобные известным «лепестковым» [63] пластическим зонам (рисунок 4.7). При достаточно малых расстояниях между сваями в ряду (L = 1.125D) и однорядном их расположении (рисунок 4.8), поля напряженно-деформированного состояния глинистого грунта напоминают поля линий скольжения в задаче прессования пластического материала через жесткую матрицу [52, 59].
Вместе с тем, обнаружен ряд отличий в форме и размерах «лепестков» пластических деформаций, образуемых при продавливании грунта между сваями. Полученные расчетом, на основе численного моделирования с применением упруго-пластической модели грунта, пластические зоны у смежных свай ограничиваются дугообразными границами, которые исходят из вершины клина уплотненного грунта перед сваями и смыкаются в середине межсвайного просвета. При этом четко прослеживается формирование клина уплотненного грунта перед сваями и только затем - образование «лепестковых» зон в просвете между сваями. На полях линий скольжения при продавливании жестко-пластического материала и в эксперименте образования клина уплотненного грунта перед сваями не наблюдается. Кроме того, в экс перименте «лепестки» более пологие, с более высокой «стрелой подъема», и занимают меньшую площадь в плоскости.
Выполнено сравнение зависимостей критических оползневых давлений и давлений на сваи, полученных по результатам конечно-элементного анализа, с известными решениями [29, 32, 34, 76, 78] при величине угла внутреннего трения (р - 0 (рисунок 4.9-а). Сравнение с решением [78] произведено при величине угла внутреннего трения ср от 0 до 20 (рисунок 4.9-6). В итоге получена хорошая сходимость результатов исследования с известными (в том числе и экспериментальными) работами.
Как видно из представленных графиков, величины полученных по разным методикам предельных давлений имеют значительный разброс. В результате анализа полученных разными авторами зависимостей предельного давления установлено, что предлагаемые данные наилучшим образом согласуются с решениями С. И. Мация [34], К. Ш. Шадунца [29], а также Т. Ито и Т. Мацуи [78]. Несколько отличаются в меньшую сторону результаты исследований Н. Н. Маслова [32], и особенно, Р. Г. Хеннеса [76].
При этом необходимо отметить, что кривая предельного оползневого давления по С. И. Мацию при определенном шаге свай приобретает пологий характер и практически горизонтальный наклон. Предельное оползневое давление из условия непродавливания становится постоянным и соответствует, по всей видимости, давлению обтекания и локальному характеру работы свайных упоров. Вместе с тем, образование локальных деформаций в пределах каждой сваи расчетной схемой не предусмотрено, что обуславливает границы применимости данной расчетной схемы.
Произведено сравнение результатов вычисления предельных оползневых давлений на сваи многорядных удерживающих сооружений с экспериментальными данными [18]. В результате выявлена качественная сходимость и значительные количественные отличия от известных предложений по распределению оползневых давлений между рядами не объединенных ростверком свай (рисунок 4.10). В эксперименте и по результатам численных исследований при расположении свай в два, три и четыре ряда наблюдается картина распределения давлений между рядами свай, убывающих в направлении продавливания грунта. Максимальное давление при любом количестве рядов приходится на первый ряд свайных элементов. На каждый последующий ряд свай приходится меньшая доля давления, чем на предыдущий.
