Исследование работы свай в скальных грунтах на действие горизонтальной нагрузки Хохлов Иван Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. постановка задач и выбор методов исследования взаимодействия свай со скальным массивом при действии горизонтальной нагрузки ... 14

1.1 Опыт и перспективы применения свай в скальных массивах 14

1.2 Определение факторов, влияющих на несущую способность и деформации свай в скальном массиве при горизонтальных нагрузках 16

1.3 Отечественные методики расчета свай на горизонтальные нагрузки

1.3.1 Расчетные методы, использующие теорию предельного равновесия грунт а 22

1.3.2 Расчет свай на основе метода представления грунта в виде упругого полупространства 23

1.3.3 Расчет свай на основании теории местных упругих деформаций (гипотеза Винклера) 25

1.3.4 Эмпирические и инженерные методы расчета 28

1.4 Зарубежные методики расчетов свай в скальных грунтах 29

1.4.1 Метод Картера и Кулхэйви 31

1.4.2 Метод Риза 35

1.4.3 Метод Чанга 38

1.4.4 Метод Габра 40

1.4.5 Метод То, Эрнста и Эйнштейна 41

1.4.6 Численные методы расчета свай в скальных грунтах 42

1.5. Выводы и постановка основных задач исследований 44

ГЛАВА 2. Обоснование методики исследования и определения геомеханических характеристик массивов скальных грунтов 46

2.1. Применение метода конечных элементов для решения задачи взаимодействия сваи при горизонтальной нагрузке и массива скаль ного грунта 46

2.1.1. Общие принципы, реализуемые при создании расчетной геомеханической модели взаимодействия сваи и окружающего массива скального грунта 46

2.1.2. Описание пространственной модели «свая – скальный массив» 49

2.1.3. Описание применяемой геомеханической модели массива скальных грунтов

2.2. Переход от эмпирических к расчетным характеристикам массивов по модели Мора-Кулона 59

2.3. Математическая обработка результатов проводимых исследований методом планирования эксперимента

2.3.1. Составление матрицы планирования эксперимента и составление уравнений регрессии в общем виде 67

2.3.2. Статистический анализ уравнений регрессии 73

Выводы по Главе 2 75

ГЛАВА 3. Механизмы разрушения системы «свая – скальный массив» при действии горизонтальных и моментных нагрузок 77

3.1. Условия, определяющие несущую способность системы «свая – скальный массив» при горизонтальных и моментных нагрузках. «Короткие» и «длинные» сваи 77

3.2. Внутренние усилия в буронабивных сваях в скальных массивах при горизонтальной и моментной нагрузке. Оценка прочности стволов буронабивных свай при изгибе 80

3.3. Взаимодействие «коротких» свай с окружающим массивом. Определение границ области взаимодействия «коротких» и «длинных» свай

3.4. Взаимодействие «длинных» свай с окружающим скальным массивом. Определение глубины заделки сваи в скальном массиве 106

3.5 Влияние свойств контакта «свая – массив» на работу свай при горизонтальной и моментной нагрузке 112

Выводы по Главе 3 115

ГЛАВА 4. Несущая способность и деформации свай в скальных массивах при действии горизонтальных и моментных нагрузок .. 117

4.1. Определение несущей способности свай при горизонтальной и моментной нагрузке 117

4.2. Определение величины перемещений свай при горизонтальной и моментной нагрузке 125

4.3. Графический способ определения несущей способности и перемещений свай при горизонтальной и моментной нагрузке 131

4.4. Алгоритм расчета по предлагаемой методике определения несущей способности и перемещений свай при горизонтальной и мо-ментной нагрузке 133

4.5. Сравнение предлагаемой методики с данными натурных

испытаний свай. Апробация результатов работы 136

Выводы по Главе 4

Основные выводы по диссертации 144

Список использованной литературы

• Расчетные методы, использующие теорию предельного равновесия грунт
• Общие принципы, реализуемые при создании расчетной геомеханической модели взаимодействия сваи и окружающего массива скального грунта
• Взаимодействие «коротких» свай с окружающим массивом. Определение границ области взаимодействия «коротких» и «длинных» свай
• Алгоритм расчета по предлагаемой методике определения несущей способности и перемещений свай при горизонтальной и мо-ментной нагрузке

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время буронабивные сваи широко используются во всём мире как фундаменты сооружений, передающих большие нагрузки на скальные основания (мостов и дорожных эстакад, многоэтажных зданий - башен, сооружений энергетического назначения, гидротехнических сооружений и т.п.). Объем сооружения буронабивных свай в скальных массивах постоянно растет.

Несмотря на высокую прочность скальных грунтов, скальные массивы, сложенные даже очень прочными породами, имеют, как правило, большое количество нарушений и структурных дефектов, резко снижающих их несущую способность. Указанные недостатки скальных массивов приводят к большим сложностям при проектировании и строительстве на скальных грунтах сооружений, передающих на основание значительные нагрузки.

В то же время, в нормативной и специальной литературе вопросы расчетов свай в скальных грунтах подробно не освещаются. В СП 24 13330 «Свайные фундаменты» на проектирование свай в скальных грунтах отводится всего один параграф, касающийся расчёта на вертикальную нагрузку с учётом лишь одного фактора (прочность скальной отдельности на сжатие), а расчёт на горизонтальную нагрузку в скальном массиве вообще не рассматривается.

За рубежом разработаны и внедрены в практику многочисленные, очень подробные, нормативные документы, учитывающие влияние на работу свай в скальных грунтах нескольких факторов. Следует отметить, что применяемые за рубежом методы расчёта основаны на многочисленных допущениях и эмпирических зависимостях, с применением, различными пользователями, неодинаковых критериев несущей способности сваи, и её допустимого перемещения.

Таким образом, существует необходимость проведения в нашей стране более интенсивных исследований взаимодействия свай со скальными массивами и совершенствования методов количественной оценки взаимодействия буронабив-ных свай с окружающим скальным массивом при горизонтальных нагрузках.

Степень разработанности темы. В нашей стране применение фундаментов из буронабивных свай имеет значительное распространение. На сегодняшний день такие конструкции применяются в основном в дисперсных грунтах. Однако, опыт применения свай в скальных массивах ограничен. Это обусловлено многими причинами, в том числе отсутствием теоретического обоснования взаимодействия свай с окружающим массивом скального грунта.

Фактический характер работы сваи в скальном массиве при горизонтальной нагрузке определяется множеством факторов, носит пространственный характер, а также имеет ряд особенностей: например, нелинейные деформации массива и сваи при их разрушении, наличие области контакта сваи и массива, свойства которой в значительной степени могут влиять на работу сваи.

С учетом вышеизложенного существует необходимость разработки методов расчета взаимодействия свай и окружающего скального массива при действии горизонтальной нагрузки с учетом основных влияющих факторов. Данные методы позволят дать прогнозную оценку несущей способности и деформаций свай исхо-3

дя из механических характеристик и структурных особенностей скального массива, а также характеристик самих свай.

Целью диссертационной работы является разработка эффективной методики расчета свай в скальных грунтах при действии горизонтальных нагрузок, позволяющей в условиях упруго – пластической задачи, учитывая работу контакта сваи с породным массивом, определять её несущую способность и перемещения при любом изменении значений независимых факторов в заданных пределах их варьирования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследований:

1. Выполнить анализ существующих методик расчётов свай в скальных грунтах на горизонтальные нагрузки.

2. Установить факторы, наиболее влияющие на несущую способность и деформации свай в скальных массивах при горизонтальных нагрузках.

3. Введя понятие «коротких» и «длинных» свай найти зависимость, определяющую границу областей их взаимодействия со скальным массивом.

4. Определить границу заделки «длинных» свай в скальный массив.

5. Разработать расчётную геомеханическую (на базе МКЭ) модель взаимодействия свай со скальным массивом при действии горизонтальной нагрузки.

6. Используя метод планирования эксперимента, составить план выполнения численных расчётов, и на его основе провести моделирование работы свай на горизонтальную нагрузку в скальных массивах.

7. На основе анализа результатов проведённых исследований разработать методику расчёта несущей способности и перемещений свай в скальных массивах при действии горизонтальных нагрузок. С этой целью получить уравнения регрессии, описывающие деформирование сваи при действии на нее горизонтальных сил и сосредоточенных моментов.

8. Исследовать влияние механических свойств контакта «свая – скальный массив» на деформирование сваи при действии горизонтальных сил и сосредоточенного момента.

9. С учётом предлагаемой методики дать рекомендации по расчёту и проектированию свай в скальных массивах при действии горизонтальных нагрузок, включая их конструктивные параметры.

Научная новизна работы заключается в следующем:

10. Разработана и применена расчетная геомеханическая модель статической работы сваи с учётом структурных и механических характеристик скального массива.

11. На основании совместного использования численного моделирования (МКЭ) и метода планирования эксперимента были предложены уравнения регрессии для определения несущей способности и деформаций свай в зависимости от трех независимых факторов: трещиноватости скального массива, отношения длины сваи к ее диаметру, отношения модулей упругости бетона и скальной отдельности.

3. Разработан метод и предложен алгоритм расчёта свай в скальном грунте на горизонтальные нагрузки, позволяющий в условиях упруго – пластической задачи, моделируя работу контакта сваи с породным массивом, определять её несущую способность и перемещения при любом изменении значений независимых факторов в заданных пределах их варьирования.

4. Исследовано влияние жесткости контакта «свая – массив» на перемещения свай при действии горизонтальных сил и сосредоточенных моментов.

Теоретическую и практическую значимость работы представляют:

1. Разработанная геомеханическая модель взаимодействия свай со скальным массивом.

2. Уравнения регрессии для расчёта несущей способности и перемещений свай в скальных грунтах при действии горизонтальных нагрузок для различных комбинаций независимых параметров в пределах варьирования их значений.

3. Построенные, с использованием указанных выше уравнений, номограммы, позволяющие проводить экспресс-анализ статической работы свай в скальных грунтах на горизонтальную нагрузку.

4. Возможность использования разработанной методики количественной оценки несущей способности и перемещений свай при действии горизонтальных и моментных нагрузок на предварительной стадии проектирования свайных фундаментов в скальных массивах, а также в дальнейших исследованиях указанной проблемы.

5. Возможность использования результатов работы при составлении отечественных нормативных документов, а именно – раздела по расчёту свай в скальных массивах на действие горизонтальной нагрузки.

Методология и методы исследования. При проведении исследований использовался подход, основанный на сочетании численного моделирования работы свай в скальных грунтах при действии горизонтальной нагрузки с методом планирования эксперимента, используемом для анализа и обобщения полученных результатов расчетов взаимодействия свай с окружающим массивом. На основании указанных расчётов, выполненных в соответствии с планами экспериментов и соответствующей обработки полученных результатов были предложены уравнения регрессии, связывающие отклики (несущую способность сваи и её перемещения) с заданными независимыми факторами, для определения значений откликов при любой комбинации значений факторов в пределах их варьирования. Учитывая сложность практического использования уравнений регрессии на их основе были построены номограммы, позволяющие проводить экспресс – анализ взаимодействия свай со скальными массивами.

Положения, выносимые на защиту:

6. Постановка и решение задач взаимодействия свай со скальным массивом при действии горизонтальной нагрузки и сосредоточенного момента. Анализ полученных результатов выполненных исследований.

7. Метод расчета несущей способности и перемещений свай в скальных массивах при действии горизонтальной силы и сосредоточенного момента.

8. Выводы и рекомендации, составленные по результатам исследований.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием известных математических моделей, учитывающих как работу материала свай, так и поведение скального массива; использованием сертифицированного в РФ программно-вычислительного комплекса Z_Soil PC v2013, реализующего расчеты методом конечных элементов; применением метода планирования эксперимента, позволяющим установить необходимую последовательность и объем теоретических исследований, а также выполнить факторный анализ полученных результатов; учетом при проведении исследований отечественного и зарубежного опыта в данной области и данных нормативной и специальной технической литературы; сходимостью результатов теоретических исследований с данными натурных испытаний свай.

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы докладывались на: Первой Российской учебно-практической молодежной конференции по геотехнике (Москва, 25-26 июня 2015 г); на ежегодном круглом столе в ОАО «Мосметрострой» (Москва, 4 марта 2016 г.); на практическом семинаре по расчетам буронабивных свай в скальных массивах в НИИОСП им. Герсеванова (АО «НИЦ «Строительство») (Москва, 9 июня 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре статьи, из них две опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (110 наименований), 2 приложений и содержит 168 страниц машинописного текста, 89 рисунков, 20 таблиц.

Расчетные методы, использующие теорию предельного равновесия грунт

В [29] приведены формулы и расчетные схемы подпорных стен из бу-ронабивных свай при различных нагрузках, а также приводятся рекомендации по конструктивным особенностям свай и методам их испытаний на горизонтальную нагрузку. Также указаны методы получения значений коэффициентов постели грунтов по результатам испытаний свай на горизонтальную нагрузку.

Совершенствование описываемого метода расчетов также позволило учитывать нелинейную стадию работы свай под нагрузкой. Так, например, в [37] даются рекомендации по учету образования зон предельного равновесия в верхней части грунта, окружающего сваю, а также образование пластических шарниров в теле свай. Данный подход позволяет проектировать более экономичные конструкции исходя из возможности учета работы грунта и ствола сваи в предельном состоянии.

Расчет свай с использованием гипотезы Винклера в большинстве случаев дает результаты, которые могут быть не обоснованно занижены или завышены в сравнении с фактическими условиями. Это связано прежде всего с тем, что коэффициент пропорциональности, являющийся основной характеристикой, описывающей поведение грунтового массива, задается приблизительно в соответствии с формулой 1.1. или используются табличные значения. Также в нормативной и специальной литературе отсутствуют указания по вычислению коэффициента K в случае устройства свай в слоистых грунтах с различными, сильно отличающимися свойствами. Линейное изменение коэффициента постели по глубине справедливо для коротких свай в однородном массиве, однако для длинных свай в слоистом массиве, где возможно резкое изменение деформационных характеристик грунтов, при использова 28 нии данного метода расчета следует обратить особое внимание назначению коэффициента упругого отпора отдельных слоев.

Указанный метод широко используют также при расчете взаимодействия свай со скальным массивом (см. п. 1.4). Однако, как показывает практика, его применение оправдано в случае, когда коэффициент постели может быть определен по результатам натурных испытаний, так как в нормах отсутствуют данные по назначению величин коэффициентов отпора грунта для скальных массивов. При этом следует принять во внимание, что проведение натурных испытаний свай в скальных грунтах требует значительных материальных затрат и очень трудоемко.

В настоящее время методы расчета оснований на основе контактной модели Винклера развиваются и совершенствуются. Один из перспективных методов расчета комбинированных свай переменного сечения на горизонтальную нагрузку, изложенный в [12, 14], предусматривает расчет с учетом многослойного основания и его нелинейного сопротивления. Учет нелинейности производится по итерационной схеме с пересчетом коэффициента постели K на каждой итерации. Автором данной расчетной методики приводятся также данные натурных испытаний свай на горизонтальную нагрузку, которые полностью совпадают с расчетным прогнозом и предлагается для дальнейшего совершенствования метода применять МКЭ, позволяющий получить наиболее достоверные результаты [13].

В.В. Знаменским [23, 24] была предложена методика расчета групп свай, основанная на проведенных экспериментах и последующей обработке данных на ЭВМ. Несущая способность куста свай определяется на основе несущей способности одиночной свай умножением на коэффициент кустового эффекта. Несущая способность одиночной сваи со свободной головой определяется на основе результатов испытаний пробной статической нагрузкой или по приближенному способу расчета К.С. Завриева [17]. Коэффициент ку 29 стового эффекта рассчитывается на основе коэффициентов защемления и взаимовлияния. Методы расчёта свай на горизонтальную нагрузку, используемые в отечественной практике, предназначены в основном для расчетов свай в нескальных основаниях и не принимают во внимание, рассмотренную выше, специфику поведения свай в скальных грунтах. В связи с этим, в отечественной нормативной литературе вопрос расчёта взаимодействия свай со скальными грунтами при действии горизонтальной нагрузки вообще не рассматривается. В то же время в зарубежной практике он интенсивно изучается в течение последних тридцати лет. Учитывая это, сделаем краткий обзор зарубежного опыта исследования работы свай в скальных грунтах.

На сегодняшний день за рубежом существует несколько методик расчетов свай в скальных массивах по несущей способности и деформациям при действии горизонтальных нагрузок. Существующие методы расчетов свай на горизонтальные нагрузки в скальных грунтах можно разделить на две группы: - основанные на теории упругости (например, Картер и Кулхэйви, Чанг); - основанные на теории местных упругих деформаций (например, Риз, Габр);

Картер и Кулхэйви [57], по-видимому, были первыми, кто предложил метод расчета свай в скальном массиве на действие горизонтальной нагрузки, в котором свая рассматривалась, как нежесткое включение в упруго-пластическую среду. Используя аналитическое и численное решение авторы на основании МКЭ получили параметрические уравнения зависимости деформаций свай от горизонтальной нагрузки. Также Картером и Кулхэйви был предложен метод определения несущей способности сваи по грунту, который рассматривался как непрерывная упруго-пластическая среда. Чангом [109] было предложено решение, которое учитывает работу массива в пластической стадии. Предложенная им методика расчета развивает идеи, предложенные Саном [99] о работе свай при горизонтальной нагрузке в дисперсных грунтах. В ней учитывается упруго-пластический характер работы массива и линейное изменение модуля деформаций массива по глубине. Чанг также разработал методику определения предельного сопротивления грунта, используя критерий Хоэка-Брауна [76], в котором степень тре-щиноватости скального массива учитывал показателем RQD. Хотя данный метод и связывает различные факторы, описывающие работу скального массива, автором не рассматривались возможные поверхности скольжения по существующим в массиве трещинам и обусловленный этим характер разрушения массива.

При расчетах свай на горизонтальные нагрузки по теории местных упругих деформаций массив скального грунта заменяется пружинами, имеющими нелинейные жесткостные характеристики. Так называемый «p – y метод» был предложен Ризом [96] для расчета одиночной сваи в скальном грунте на горизонтальные нагрузки, основанный на использовании p – y критерия – моделируемой пружинами реакцией грунта при действии горизонтальной нагрузки. Риз [там же] учел влияние трещиноватости скального массива путем введения понижающего коэффициента прочности скального массива, который определяется по показателю RQD (см. главу 2).

Общие принципы, реализуемые при создании расчетной геомеханической модели взаимодействия сваи и окружающего массива скального грунта

Параметр D в данном уравнении характеризует нарушения массива вследствие строительных работ. В случае, когда строительные работы не оказывают значительного влияния на окружающий массив, значение D рекомендуется принять равным 0, что отвечает условиям устройства буронабивных свай, при котором технологические воздействия на окружающий массив минимальны.

Включение в уравнение (2.21) прочности скальной отдельности на одноосное сжатие свидетельствует о влиянии модуля деформации скальной отдельности Er на модуль деформации массива, так как между прочностью на одноосное сжатие скальной отдельности и ее модулем деформации существует взаимосвязь, которую подтверждают многие исследования [19, стр.183].

Пользуясь таблицей по определению GSI (приложение 1) и уравнением (2.21), был выполнен обратный расчет, позволивший поставить в соответствие определенным выше значениям модулей деформации массивов средней прочности (рисунок 2.14) индексы GSI и получить для исследуемых массивов значения mb и mi.

В работе [76] Хоэк описал исследования, проводимые им в условиях трехосных испытаний образцов скальных массивов, в результате которых были получены зависимости прочностных характеристик (сцепления и угла трения) массивов от GSI. Подробно с этими исследованиями можно познакомиться в специальной научно-технической литературе [76, 77]. В данной работе приводиться лишь окончательный результат данных исследований, а именно: номограммы, по которым определяется сцепление и угол трения массивов при известных GSI, mi и прочности скальной отдельности на одноосное сжатие с (рисунок 2.16). Рисунок 2.16. Номограмма зависимости соотношения сцепления массива и прочности скальной отдельности на одноосное сжатие от показателей GSI и ПІІ (а). Номограмма зависимости угла трения массива от показателей GSI и ПІІ (б).

По определенным выше параметрам GSI и ПІІ с помощью приведенных номограмм был выполнен переход от эмпирических характеристик критерия Хоэка к характеристикам критерия Кулона-Мора - С и (р. Численные значения прочности скального массива на сжатие для каждого массива (таблица 2.2) определялись в соответствии с критерием прочности Кулона: (Tm = 2cmg(45 + ) (222) Для определения значений прочностных характеристик контакта «бетон -скальный массив» использовалась таблица прочностных характеристик скальных массивов, приведенная в [43].

Важной задачей настоящей работы является изучение факторов, оказывающих существенное влияние на взаимодействие сваи с окружающим массивом скального грунта при действии горизонтальной и моментной нагрузок. При этом необходимо не только изучить вклад каждого отдельного фактора, влияющего на работу сваи под нагрузкой, но и получить математические зависимости, связывающие несущую способность сваи, ее горизонтальные отклонения, внутренние усилия и т.д. с независимо заданными, заранее выбранными факторами. Кроме того, необходимо установить характер взаимного влияния факторов при их одновременном варьировании (изменении), установить относительную степень влияния каждого фактора на изучаемый процесс и понять какие из них оказывают наибольшее воздействие на работу системы «свая - массив скального грунта».

Выполнение поставленных задач возможно с помощью метода планирования эксперимента - процедуры выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для получения математической модели процесса. Составление программы проведения опытов на основе метода планирования эксперимента обеспечивает минимизацию числа опытов; одновременное варьирование всех переменных (факторов), определяющих процесс; выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные решения после каждой серии экспериментов.

Метод планирования эксперимента также позволяет путем математической обработки эффекты; biju — эффекты результатов эксперимента (функций откликов) получить математическую модель исследуемых зависимостей, которая в общем виде представляется полиномом л-степени, т.е. отрезком ряда Тейлора, в который разлагается неизвестная функция: где bo— свободный член; h— линейные эффекты; /fy— эффекты парного взаимодействия; Ъ» — квадратичные тройного взаимодействия. Действительный характер исследуемых зависимостей заранее не известен, но при решении практических задач достаточно получить приближенное решение, обеспеченное с той или иной долей вероятности, значение которой принима 69 ется заранее. При обработке результатов эксперимента на начальном этапе пользуются уравнениями первой степени (линейными зависимостями), а в дальнейшем при необходимости могут использоваться полиномы второго порядка.

Таким образом, первоочередным этапом при планировании эксперимента является выбор основных независимых факторов, влияющих на выходной параметр (функцию отклика), и уровней (верхнего и нижнего) пределов их варьирования. Следует отметить, что чрезмерное насыщение матрицы планирования исследуемыми факторами приводит к получению слишком громоздких зависимостей и увеличению сроков проведения эксперимента. Подлежат отсеиванию те факторы, которые оказывают незначительное влияние на выходной параметр.

Анализ, проведенный в предыдущей главе позволил нам установить важнейшие факторы, на основании которых и будет проводиться исследование, а именно: Фактор №1 : Отношение модуля упругости бетона к модулю упругости скальной отдельности – Eb/Er Фактор №2 : Степень трещиноватости массива, выражаемую количественным параметром–RQD, % Фактор №3 : Отношение длины сваи к ее диаметру –Lp/Dp. Факторы должны быть: 1) управляемыми, т. е. позволяющими устанавливать их требуемые значения и поддерживать постоянными эти значения в течение эксперимента; 2) непосредственно воздействующими на объект исследования, так как трудно управлять фактором, который является функцией других факторов; 3) совместимыми, т. е. все комбинации уровней факторов должны быть осуществимы; 4) независимыми, т. е. позволяющими экспериментатору устанавливать требуемые уровни любого фактора независимо от уровней других факторов. Очевидно, что выбранные для анализа факторы полностью удовлетворяют этим требованиям.

Взаимодействие «коротких» свай с окружающим массивом. Определение границ области взаимодействия «коротких» и «длинных» свай

При этом предельная допустимая нагрузка на сваю по прочности ствола также снижается, так как значения внутренних усилий, возникающие в нем при нагружении, возрастают. При этом следует отметить, что минимальные перемещения при действии горизонтальных и моментных нагрузок имеют место у свай с заделкой нижнего конца в массиве.

Определение границы (глубины) заделки свай в скальном массиве осуществляется, как и в предыдущем случае «коротких свай», с помощью обработки результатов численного моделирования методами регрессионного анализа (метода планирования экспериментов). Это позволяет получить математическую зависимость функции отклика (глубины заделки сваи, выраженной величиной Lp/Dp) относительно исследуемых факторов (Eb/Er и RQD).

На основании полученных результатов для проведения оперативных расчетов была построена номограмма зависимости границы заделки свай от двух факторов: отношения модуля упругости бетона и скальной отдельности Eb/Er и показателя качества скального массива, выраженного параметром RQD (рисунок 3.42).

С помощью данной номограммы можно, не прибегая к расчету по уравнению 3.13, приближенно, графическим способом определять значение глубины заделки сваи. Это позволит еще на ранней стадии проектирования определить максимальную необходимую длину сваи в конкретных геотехнических условиях, имея минимальный объем исходных параметров.

В процессе проводимых исследований также была решена задача определения влияния свойств контакта «свая – массив» на величину горизонтальных перемещений и несущей способности сваи. Основными параметрами, определяющими свойства контактного элемента, моделирующего контакт сваи с окружающим массивом являются величина касательной жесткости Ks. Следует отметить, что подробных исследований влияния свойств жесткости контакта на работу свай в скальных массивах с использованием МКЭ не проводилось. В то же время, некоторые исследования [104, 95] показывают, что контакт бетона и массива характеризуются определенными значениями жесткости, значения которой изменяются в зависимости от механических свойств массива и его структуры и оказывают существенное влияние на деформирование сваи. Предварительные результаты показали, что с увеличением значения касательной жесткости перемещения свай уменьшаются.

Учитывая это, была проведена серия расчетов для изучения влияния касательной жесткости контакта на деформации свай в пределах первого упругого участка деформирования свай при действии горизонтальной нагрузки. Перемещения свай определялись при различных значениях касательной жесткости контакта: Ks = 50 000, 100 000, 250 000, 1 000 000 кН/м3. Была проведена серия расчетов в четырех рассматриваемых массивах.

В качестве примера на рисунке 3.43 приведены графики горизонтальных отклонений свай при горизонтальной нагрузке в прочном массиве (массив 1) и массиве низкой прочности (массив 2).

Приведенные графики подтверждают, что влияние жесткости контакта на деформации свай при действии нагрузок существенно как в прочном, так и в слабом массиве. Горизонтальные перемещения свай при максимальном и минимальном значениях касательной жесткости значительно различаются (практически в 1,5 раза). Стоит отметить при этом, что положение характерных точек на графике де 114

формирования сваи (начала разрушения массива и предельной нагрузки) при варьировании касательной жесткости практически не изменяется. Интенсивность изменения горизонтальных перемещений на втором участке кривой при различных значениях жесткости контакта выражена более отчетливо у слабых массивов.

Анализ приведенных кривых показывает, что с увеличением жесткости Ks в пределах от 50 000 до 400 000 кН/м3 величина горизонтальных перемещений свай уменьшается в среднем в 1,5 - 2 раза в зависимости от деформационных свойств массива при увеличении которых изменение горизонтальных перемещений происходит более интенсивно. В то же время в интервале изменения касательной жесткости от 400 000 до 1 000 000 кН/м3 изменения перемещений не происходит. В этом случае касательная жесткость не влияет на смещение сваи, роль играют лишь деформационные характеристики скального массива.

Следует отметить, что при проведении геомеханического моделирования, необходимого для анализа работы свай в скальных массивах, значение касательной жесткости контакта между сваей и скальным массивом принимались постоянными и равными Ks = 100 000 кН/м3. Поэтому, величины горизонтальных смещений, получаемые на основании уравнений регрессии (см. главу 4) справедливы только в данном конкретном случае. При других значениях касательной и нормальной жесткости в диапазоне 50 000 – 400 000 данные уравнения не могут быть использованы. Однако, можно выполнить пересчет горизонтальных перемещений свай, используя построенный на основе полученных результатов расчетов график зависимости увеличения значения горизонтальных перемещений от касательной жесткости контакта «свая – массив» (см. рисунок 3.45).

Алгоритм расчета по предлагаемой методике определения несущей способности и перемещений свай при горизонтальной и мо-ментной нагрузке

Результаты расчетов, выполненных по предлагаемой методике сравнивались с результатами натурных испытаний. В качестве примера использовались испытания свай на горизонтальную нагрузку в массиве средней прочности, данные о которых приведены в [91].

На испытательной площадке были сооружены две сваи диаметром 0,762 м на расстоянии 7,93 м друг от друга. В качестве материала сваи использовался бетон прочностью на сжатие Rp=27,6 МПА, что соответствует модулю деформации Eb = 38 000 МПА. Первая свая имела длину 2,8 м, вторая – 4,2 м. Сваи полностью были погружены в скальный массив, при этом над уровнем поверхности земли сооружался оголовок высотой 1 м , к которому в процессе испытаний прикладывалась горизонтальная сила.

В геологическом отношении опытная площадка представлена залегающими трещиноватыми алевролитами, аргиллитами и песчаниками (см. рисунок 4.9 и таблицу 4. 9).

С учетом полученных значений факторов по формуле 3.11 для каждой сваи была определена граница области ее работы. Для сваи №1 эта граница составляет Lp/Dp =2,5, для сваи №2 - Lp/Dp =2,6. Рассчитанные таким образом значения Lp/Dp для свай № 1 и №2 меньше значений по таблице 4.10. Следовательно, расчет свай необходимо производить по схеме «длинной» сваи.

Определение границ заделки сваи в массиве по уравнению 3.13 показало, что для свай №1 и №2 эти значения соответственно составляют 7,2 и 7,5 м.

Далее по уравнениям 4.17 и 4.20 определялись значения горизонтальных нагрузки и перемещения сваи в момент начала разрушения скального массива. Значения нагрузок при начале разрушения скального массива для свай №1 и №2 соответственно составили 682 кН и 734 кН. С учетом того, что диаметр рассматриваемых свай превышает 0,5 м по графику на рисунке 4.1, а было определено значение коэффициента увеличения нагрузки, при этом значения нагрузок для свай №1 и №2 составили 1570кН и 1700 кН соответсвенно. Определенные по уравнению 4.20 значения перемещений при начале разрушения скального массива составили для сваи №1 и № 2 соответственно значения 11 мм и 10 мм. С учетом коэффициента увеличения при рассчитываемом диаметре сваи перемещения в момент начала разрушения скального массива составили для свай №1 и №2 соответственно 13 и 12 мм. Таким образом, для двух рассматриваемых свай было определено положение первой точки кривой на графике перемещений.

Так как было установлено, что данные сваи необходимо рассчитывать по схеме «длинной» сваи, то есть по условию разрушения только сваи, необходимо вычислить нагрузки и перемещения в момент разрушения свай по уравнениям (4.13) и (4.24). Значения предельных нагрузок, соответствующих разрушению стволов свай, составили для свай №1 и №2 значения 2255 кН и 1790 кН. С учетом коэффициента увеличения нагрузки при данном диаметре сваи значения нагрузок составили для свай №1 и №2 4895 кН и 3938 кН соответственно. Значения величин горизонтальных смещений, рассчитанных по уравнению 4.24 составили 133 мм – для сваи №1 и 111 м – для сваи №2. Умножив эти значения на коэффициент увеличения перемещений на рисунке 4.2, а получили 173 мм – для сваи №1 и 144 мм – для сваи №2.

Сравним значения нагрузок и перемещений при начале разрушения скального массива и при разрушении ствола сваи. Нагрузки при разрушении ствола сваи для обоих рассчитываемых свай превышают соответствующие для каждой сваи нагрузки при начале разрушения массива. Следовательно, сваи работают в неупругой стадии деформирования скального массива.

Таким образом были получены значения для построения расчетных кривых испытаний свай. Расчетные кривые будут состоять из двух отрезков, координаты точек которых на диаграмме P – u приведены в таблице 4.11.

Так как уравнения регрессии, по которым определялись значения перемещений свай справедливы только при касательной жесткости контакта «свая – массив» равной Ks = 100 000 кН/м3, был выполнен также расчет величин перемещений для значений касательной жесткости Ks = 50 000 кН/м3 и Ks = 250 000 кН/м3. Эти данные также приведены в таблице 4.11.

Анализируя приведенные выше графики сравнения натурных и расчетных значений перемещений и нагрузок можно сказать, что сходимость с натурными данными была зафиксирована в случае сваи №2 с расчетными кривыми, описывающими графики испытаний свай, для которых касательная жесткость контакта была принята в диапазоне от Ks = 50 000 кН/м3 до Ks = 100 000 кН/м3.

Говоря о сравнении опытных и расчетных данных по свае №1, следует отметить, что было зафиксировано расхождение графиков уже на первой (линейной) стадии деформирования сваи. По данным натурных испытаний свая №1 при нагрузках выше 400 кН начинает деформироваться нелинейно. По расчету же стадия нелинейных деформаций должна наступать при нагрузке 1570 кН. При анализе перемещений выявилось расхождение около 55 %: по расчету перемещения составили 16 мм, а по данным испытаний – 36 мм. Такие расхождения прежде всего могут быть объяснены неоднородной структурой массива на испытательной площадке, о чем свидетельствуют сами авторы, проводившие исследования [91]. Данные геологических изысканий и измерений дилатометром, проводимых на этой площадке, свидетельствуют о значительном разбросе значений получаемых деформационных характеристик массива. Кроме того, низ сваи №1 заглублен в слой сильновыветрелых, сильнотрещиноватых аллевролитов с переслоением песчаников, в котором возможно наличие локальных нарушений его структуры с пониженными деформационными свойствами. При натурных испытаниях это могло привести к увеличению фиксируемых перемещений.

Сравнение данных расчетов и натурных испытаний подтверждают, что при расчете свай в скальном массиве необходимо учитывать величину касательной жесткости контакта «свая – массив», которая оказывает существенное влияние на перемещения свай при действии нагрузок.

Кроме того, выявившееся расхождение в случае сваи №1 между данными расчетов и опытными данными можно объяснить неоднородностью сложения рассматриваемого трещиноватого массива, свойства которого неодинаковы по глубине даже в пределах такого ограниченного по площади участка натурных испытаний. Поэтому, особое внимание при подготовке к расчетам необходимо уделять изучению структуры и трещиноватости скального массива, так как эти показатели существенно влияют на его механические характеристики.