Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние свайного фундаментостроения 11
1.1. Классификация свай и материалы для их изготовления 11
1.2. Системный анализ результатов крупномасштабных исследований работы коротких набивных свай 16
1.2.1. Оценка работы набивных свай под нагрузкой 16
1.2.2. Обобщение результатов испытаний тензосвай и свай трения в различных грунтовых условиях 17
1.3. Факторы оказывающие влияние на несущую способность набивной сваи 22
1.3.1. Пути повышения несущей способности коротких свай по боковой поверхности 22
1.3.2. Оценка изменения напряженно-деформированного состояния грунта в околосвайном пространстве 24
1.4. Цели и задачи исследований 30
Глава 2. Разработка новых конструкций набивных свай 32
2.1. Предпосылки исследований 32
2.1.1. Пневмонабивные сваи 33
2.1.2. Разрезные обсадные трубы 35
2.2. Принцип повышения несущей способности коротких свай .. 38
2.3. Конструкции призматических свай 40
2.3.1. Свая из корытообразных элементов 40
2.4. Конструкции свай с наклонными гранями 43
2.4.1. Клиновидные сваи 43
2.4.2. Конические сваи 45
2.5. Обоснование формы свай с наклонными гранями 50
Выводы по 2 главе 55
Глава 3. Экспериментальные исследования формообразования и работы набивных свай новой конструкции 56
3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 56
3.2. Аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований 57
3.3. Экспериментальные исследования формообразования конических свай 61
3.3.1. Модели и методика проведения эксперимента 61
3.3.2. Результаты экспериментальных исследований 64
3.4. Экспериментальные исследования работы боковой поверхности конической сваи 67
3.4.1. Определение параметров моделей 67
3.4.2. Методика планирования и проведения эксперимента 69
3.4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований.. 73
Выводы по 3 главе 86
Глава 4. Теоретическое обоснование полученных экспериментальных результатов 87
4.1. Предпосылки исследований 87
4.2. Расчет свай по несущей способности 93
4.2.1. Анализ существующих методик расчета свай 93
4.2.2. Методика расчета новых конических свай по несущей способности 99
4.3. Расчет свай по деформациям 100
4.4. Инженерная методика расчета свай с использованием программного комплекса Лира 9.2 103
4.4.1. Формообразование конической сваи 104
4.4.2. Оценка несущей способности сваи 109
Выводы по 4 главе 111
Глава 5. Технико-экономическая оценка новых конструкций свай 112
5.1. Рекомендации по практическому применению набивных конических свай 112
5.1.1. Рекомендации по конструированию свай 113
5.1.2. Рекомендации по устройству свай в грунте 115
5.1.3. Рекомендации по рациональным областям применения свай в строительстве 117
5.2. Оптимальное проектирование новых конструкций фундаментов 120
5.2.1. Оптимизация коротких набивных свай 120
5.2.2. Кольцевой фундамент преднапряженный по грунту 122
5.3. Внедрение результатов исследований 125
5.3.1. Описание здания и площадки строительства 125
5.3.2. Технико-экономическое обоснование предложенных свай 126
Выводы по 5 главе 132
Заключение 133
Библиографический список
- Классификация свай и материалы для их изготовления
- Принцип повышения несущей способности коротких свай
- Аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований
- Инженерная методика расчета свай с использованием программного комплекса Лира
Введение к работе
В последние годы в нашей стране наблюдается экономический рост, способствующий оживлению социальной, промышленной, хозяйственной и других сфер и отраслей нашего общества. Положительные изменения видны и в строительстве, в том числе и в Поволжском регионе. Заметно увеличился объем возведения гражданских зданий, возрождается строительство специальных промышленных объектов.
Саратовская область всегда была непростым районом для строительства: сложный рельеф, высокий уровень подземных вод, неблагоприятные грунтовые условия создают дополнительные трудности при производстве строительных работ, но даже в таких сложных условиях удалось построить уникальные энергетические объекты, такие как ТЭЦ, ГЭС, АЭС. Строительство на слабых грунтах стало возможным, в первую очередь, благодаря грамотно выбранным и правильно запроектированным фундаментам, значительную часть которых составляют свайные фундаменты. Это обусловлено тем, что их использование в слабых грунтах выгодно во многих отношениях [33, 53, 66, 68].
Известно, что применение одних и тех же конструктивных решений свайных фундаментов в различных грунтовых условиях приводит к снижению их эффективности. Кроме того, в последнее время, в связи с существенным увеличением нагрузок на фундаменты, сваи типовой номенклатуры уже не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к строительным конструкциям по эффективности. В связи с этим представляется актуальным и своевременным разработка новых прогрессивных конструкций свай и свайных фундаментов, учитывающих специфику современного строительства.
На сегодняшний день расходы на возведение фундаментов в среднем составляют около 15% общей стоимости объекта, а в сложных грунтовых условиях достигают 25%. Затраты труда и времени на устройство подземных частей зданий и сооружений с применением традиционных конструкций фундаментов составляют 20...35% от затрат на весь комплекс строительных работ. Снизить эти показатели и повысить эффективность самих фундаментов позволяют более экономичные и индустриальные конструктивные решения полых свай. В современном строительстве приходится передавать на фундаменты большие сосредоточенные нагрузки, что требует использования свай повышенной несущей способности, которая достигается изменением напряженно-деформированного состояния и повышением физико-механических характеристик грунта.
Все чаще строительные площадки оказываются окруженными ветхими застройками, на которые негативное влияние оказывают динамические воздействия, возникающие при забивке свай, что требует дополнительных мероприятий и средств на их гашение. В связи с этим в последнее время возросло применение набивных свай, технология устройства которых позволяет значительно уменьшить колебания окружающего грунта.
Большой вклад в теоретические и практические исследования свайных фундаментов, а также разработку методов и способов их совершенствования внесли отечественные ученые: Бабичев З.В., Бартоломей А.А., Бахолдин Б.В., Березанцев В.Г., Герсеванов Н.М., Готман А.Л., Готман Н.З., Долматов Б.И., Дмоховский В.К., Дорошкевич Н.М., Жуков Н.В., Коновалов П.А., Луга А.А., Лапшин Ф.К., Паталеев А.В., Попов Б.П., Прудентов А.И., Работников А.И., Редков В.И., Сорочан А.Е., Савинов А.В., Тер-Мартиросян З.Г., Трофимен-ков Ю.Г., Цитович Н.А., Ухов СБ. и др. Интерес представляют работы таких зарубежных исследователей, как Mohan D., Riz L., Sid G., Shenaih G.G., Ter-cagi K. [7, 9,11,12,13,15,20,39, 40,41,46, 53, 81, 87, 92,113,119,126].
Несмотря на множество работ в области проектирования, возведения и эксплуатации свайных фундаментов, на сегодняшний день имеется ряд открытых и нерешенных вопросов, связанных, в частности, с необходимостью повышения удельной несущей способности коротких набивных висячих свай с преднапряжением по грунту и уменьшением при их изготовлении уровня динамических нагрузок, передаваемых на окружающие грунты. Следовательно, исследования, направленные на разработку новых эффективных конструктивных решений набивных свай повышенной удельной несущей способности при уменьшении динамических воздействий на грунт при их возведении, являются актуальными.
Объектом исследований являются короткие набивные висячие сваи.
Предметом исследований являются новые конструкции набивных висячих свай с преднапряжением по грунту и оценка напряженно-деформированного состояния околосвайного грунта.
Настоящая работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории "Эксплуатационная надежность строительных материалов и конструкций" Института техники, технологии и управления (г. Балаково) в период с 2001 по 2006гг. в соответствии с целевой комплексной программой Высшей школы "Разработка экспериментально-теоретических основ и принципов комплексного подхода к решению конструктивно-технологических задач в строительстве с учетом энергоэффективности зданий".
Целью диссертационной работы является повышение удельной несущей способности коротких набивных висячих свай за счет разработки новых конструктивных решений и способов их возведения.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
- выявить доминирующие факторы, влияющие на несущую способность
коротких набивных висячих свай;
- разработать принцип повышения удельной несущей способности на
бивных висячих свай, преднапряженных по грунту;
- разработать новые конструкции набивных висячих свай и технологическую оснастку для устройства их в грунте;
- выполнить экспериментально-теоретическое обоснование эффективности новых конструкций набивных свай;
- выполнить оптимизацию новых конструкций набивных свай;
- разработать инженерную методику расчета свай новых конструкций по предельным состояниям;
- разработать практические рекомендации по конструированию, устрой
ству и рациональному применению новых конструкций набивных свай.
Методы исследований. Все задачи диссертационного исследования решались на основе применения методов математического планирования эксперимента, с применением методов математического моделирования и оптимального проектирования, а также численных методов расчета. При исследовании работы свай использовались малые и полунатурные модели, а также проводилось исследование с применением программного коплеска.
Степень достоверности результатов проведенных исследований обусловлена использованием в работе классических методов математического планирования эксперимента, основанных на многофакторном и дисперсионном анализе, многократных проверках достоверности полученных результатов на основе широкого использования критериев Кохрена, Стьюдента и Фишера. Кроме отмеченного, достоверность полученных результатов обеспечена также за счет сравнения результатов аналитических и численных расчетов новых свай по I и II предельным состояниям с экспериментальными данными, полученными в работе.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- сформулирован новый принцип повышения удельной несущей способности набивных висячих свай за счет преднапряжения грунта по боковой поверхности сваи;
- разработаны новые конструкции набивных висячих свай с высокой удельной несущей способностью, а также оснастка для устройства их в грунте;
- впервые экспериментально-тоеоретически обоснована эффективность новых конструкций набивных свай;
- выполнена оптимизация новых конструкций набивных свай;
- разработана инженерная методика расчета новых свай по I и II группам предельных состояний, характеризуемая высокой сходимостью с экспериментальными данными; - разработаны практические рекомендации по конструированию, устройству
и области рационального применения новых конструкций набивных свай.
Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций коротких набивных висячих свай повышенной удельной несущей способности и способе их устройства в грунте с применением специальной технологической оснастки.
Реализация результатов работы выполнена на стадии вариантного проектирования при реконструкции гостиничного комплекса "Салют" в г. Ба-лаково, а также в учебном процессе Балаковского института техники, технологии и управления при организации и проведении лабораторных работ и чтении лекций по курсу "Основания и фундаменты" студентам специальности 290300 "Промышленное и гражданское строительство".
На защиту выносятся:
- принцип повышения удельной несущей способности набивных висячих свай;
- новые конструкции набивных висячих свай и технология устройства их в грунте;
- результаты экспериментально-теоретических исследований работы новых конструкций набивных свай;
- инженерная методика расчета свай по I и II группам предельных состояний;
- практические рекомендации по конструированию, устройству в грунте и области рационального применения новых конструкций набивных свай.
Личный вклад автора заключается в формулировании цели и выборе направлений экспериментальных и теоретических исследований, планирования, постановки и проведении всех экспериментов как в лабораторных, так и в полевых условиях, включая обработку полученных математических моде-. лей деформационного поведения объекта исследований.
Апробация работы. Основные положения работы представлены на XXXIII-XXXIV Уральских семинарах РАН "Механика и процессы управления" (Миасс, 2003-2004гг.), VIII Всероссийской научно-практической кон 10 ференции "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2004), IV электронной заочной конференции "Молодежь, студенчество и наука XXI века" (Ижевск, 2004), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Молодые исследователи - регионам" (Вологда, 2005), Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений" (Пенза, 2006) и на внутривузовских конференциях (Балаково, 2002-2005гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 12 публикациях, в состав которых входят 4 патента РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, заключения, библиографического списка, включающего 150 литературных источников, и приложения. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 15 приложений на 43 страницах.
Классификация свай и материалы для их изготовления
Сваи, как отдельные конструкции фундаментов, представляют собой стойки, погруженные в грунт или изготовленные в грунте, предназначенные для передачи нагрузок от вышележащих конструкций зданий и сооружений на основание. На сегодняшний день большой интерес представляют висячие сваи, как наиболее часто используемые при устройстве фундаментов, в отличие от свай-стоек, применяемых гораздо реже (как правило, по причине отсутствия хорошего грунтового основания, необходимого для их использования), и устройство в грунте которых достаточно однообразно и практически не влияет на их несущую способность.
В практике отечественного и мирового фундаментостроения в настоящее время большое распространение получили различного вида сваи и свайные фундаменты, которые позволяют возводить здания и сооружения в широком диапазоне грунтовых условий. Особенно выгодным является применение свай на площадках, с поверхности которых залегают слои слабого фунта [51, 68]. Согласно последним данным, насчитывается более 200 типов свай, различающихся конструкцией, технологией возведения, характером взаимодействия с основанием и т.д. [14, 32, 39, 63, 66, 68, 104, 116, 119, 121]. — Первые сваи, которые использовались"! качестве фундаментов, были деревянными сплошного поперечного сечения [31, 39] (рис.1.1). В настоящее время деревянные сваи изготавливают из бревен хвойных пород с сохране ниєм естественной коничности. Нижний конец сваи обтесывают в виде трехгранной или четырехгранной пирамиды с притуплённой вершиной. При погружении сваи в плотный грунт или фунт с большим содержанием гравия, гальки и т.п. нижний конец ее во избежание повреждения укрепляют стальным башмаком. При необходимости ствол сваи составляют из двух-четырех бревен или брусьев. Стыкуемые торцы бревен должны быть строго перпендикулярны оси сваи. Сваи большого сечения изготавливают из нескольких бревен или брусьев, сплоченных по длине. На голову пакетной сваи насаживают бугель, а нижний, заостренный, конец ее укрепляют стальным башмаком. Недостатками деревянных свай является то, что они имеют довольно низкую несущую способность по материалу. Кроме того, для нормальной эксплуатации указанных свай необходим ряд мероприятий по защите их от гниения, древесных насекомых - древоточцев и т.п. Эти сваи требуют особого режима эксплуатации, специального оборудования и дорогостоящего материала для их пропитки - креозота. В связи с этим деревянные сваи применяют редко. Очевидные недостатки деревянных свай, а также возникшая необходимость использования таких свай в условиях, непригодных для их эксплуатации, дали толчок к возникновению в середине XIX века стальных винтовых свай [31 ] (рис. 1.2, а).
На сегодняшний день конструктивный ряд металлических свай достаточно разнообразен и включает в себя трубчатые, тавровые, двутавровые (рис. 1.2, б) сваи [7, 119]. Но все же основную массу металлических свай по-прежнему составляют винтовые, состоящие из ствола (в виде стальной трубы) и расположенного в ее нижней части металлического винтового башмака. Стволы металлических винтовых свай соединяют с трубами башмаков сваркой. Диаметр стержня сваи и размер шнека определяется типом строения, которое сваи должны поддерживать, его весом и видом грунта. Такие сваи широко используют в Канаде и США для установки опор линий электропередачи в зонах вечной мерзлоты, а в Европе - для установки опор контактной сети в обычных грунтах. Металлические сваи значительно прочнее деревянных. Кроме того, различные модели оборудования позволяют устанавливать сваи даже в малодоступных местах. Однако большой расход металла на изготовление свай существенно ограничивает их применение [31].
Высокая стоимость конструкций металлических свай требовала поиска более дешевого, но при этом не менее прочного материала для свай, которые набирали все большую популярность, поэтому уже в конце XIX века инже-нер Геннебик предложил к использованию в строительстве конструкцию забивной железобетонной сваи [31] (рис. 1.3). Особенность бетона принимать любую форму дала возможность ученым разработать ряд свай, охватывающий значительную область свайного фундаментосроения [39].
Забивные железобетонные сваи по форме продольного сечения выполняются призматическими (рис. 1.3, а) либо с наклонными гранями и чаще всего имеют сплошное поперечное сечение. Сваю изготавливают из бетона класса не ниже В25, а предварительно напряженные - класса не ниже В35. Для повышения предела прочности сваи по материалу выполняют армирование сваи, как правило, четырьмя или восемью продольными стержнями.
Практически в это же время, а именно двумя годами позже Геннебика, русский инженер Страус разработал способ изготовления набивных бетонных свай (рис. 1.3, б), которые изготавливаются непосредственно в грунте: в пробуренной скважине, путем заполнения ее литой бетонной смесью [63] и могут использоваться практически в любых грунтовых условиях.
Железобетонные сваи: а - забивная, б - набивная
Благодаря тому, что бетон на сегодняшний день является наиболее широко распространенным в строительстве материалом, доля железобетонных свай во всем объеме свайных фундаментов составляет около 90...95%. Очевидные преимущества железобетонных свай над металлическими подтверждаются их массовым применением в строительстве, при этом еще совсем недавно на долю забивных свай приходилось 90% объема свай, применяемых в стране.
Принцип повышения несущей способности коротких свай
Конструирование. Основу конструкции сваи (рис. 2.6) составляет ее каркас заполненный бетоном. Каждый элемент каркаса выполнен корытообразного поперечного сечения с боковыми гранями, примыкающими под углом а к средней грани, которая имеет эллипсоидальную форму.
Технология. Два листа различной ширины по кромкам меньшего герметично соединяют между собой внахлест. Полученные консоли сгибают под определенным углом в результате чего образуется плоский корытообразный элемент имеющий боковые и среднюю грани. Необходимое количество таких элементов и угол загиба консолей зависит от требуемой формы (треугольной, квадратной, n-гранной) поперечного сечения будущей сваи. Оболочку сваи собирают, скрепляя между собой боковые грани элементов. Крепление осуществляется монтажными связями, которые пропускают через со осные отверстия в болтовых гранях каждого корытообразного элемента. Собраний каркас погружается в пробуренную скважину. По мере погружения монтажные связи удаляют. Первоначальная форма оболочки фиксируется в грунте за счет образованного каркаса из корытообразных продольных элементов. Свая формируется следующим образом.
После полного погружения каркаса в пространство между полосами средней грани продольного корытообразного элемента подают сжатый воздух, придавая средней грани эллипсоидальную форму, которая служит стойкой каркаса. Затем полученный каркас заполняют твердеющим материалом.
Рекомендации, касающиеся материала и размеров сваи: - материал корытообразного элемента - малоуглеродистая сталь марок ВСтЗпсб или ВСтЗсп5 по ГОСТ 27772-88; - заполнитель корытообразного элемента цементный раствор или ячеистый бетон; - каркас сваи должен заполняется тяжелым бетоном класса не ниже В15; - высота ствола сваи Ннар=2000...4000мм; - условный внутренний диаметр D= 102...267мм; - ширина меньшей полосы элемента а=59.. .154мм; - ширина большей полосы элемента b=88.. .231мм; - количество продольных элементов в каркасе п=3...8.
Достоинства. Конструкция сваи обладает высокой жесткостью и уплотняет околосвайное пространство, что позволяет ей воспринимать значительные вертикальные нагрузки. Конструкция обладает высокой технологичностью благодаря простоте изготовления и унификации корытообразных элементов.
Недостатки. Необходимость заполнения сваи бетоном или раствором значительно увеличивает материалоемкость. Так же свая является достаточно металлоемкой.
Область применения. Применение сваи целесообразно в слабых обводненных грунтах в качестве шпунтовой стенки.
Конструирование. Внешне свая имеет форму клина и состоит из двух железобетонных элементов, расположенных под углом к вертикали (рис. 2.7). Центральная часть клина (между элементами) заполнена литым бетоном и содержит в себе заполненную материалом деформируемую оболочку.
Технология. Железобетонные элементы (далее блоки), изготавливают на заводе и привозятся на стройплощадку в готовом виде. Повернутые пазами друг к другу их предварительно по всей длине стягивают хомутами. В образованную пазами прямоугольную полость вставляют деформируемую оболочку, которую изготавливают из податливого материала. Собранную конструкцию опускают в грунт в предварительно пробуренную скважину. По мере опускания каркаса с него снимают стяжные хомуты. После установки каркаса в проектное положение в оболочку под давлением подают мелкозернистый бетон. Деформируясь, оболочка раздвигает блоки, которые занимают проектное положение. После этого, пустоты, образовавшиеся в процессе формирования рабочего положения сваи заполняют бетоном.
Рекомендации. Блоки рекомендуется изготавливать из преднапряжен-ного железобетона. Высота блока следует назначать исходя из расчетной длины сваи. Размеры паза в блоке: длина 1500...3000мм; ширина 89...295мм; глубина 20мм.
Достоинства. Изготовление основной части сваи в заводских условиях позволяет повысить качество изготовления самой сваи, что увеличивает надежность ее эксплуатации по материалу, а так же существенно снижает сроки ее изготовления. Возможность выбора плоскости, в которой будут располагаться наклонные грани клиновидной сваи, позволяет реализовать положительное влияние сил трения при повороте сваи в результате эффекта её заклинивания под действием вертикальной составляющей внешней нагрузки.
Аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований
С целью обоснования и подтверждения эффективности новых конструкций свай в лаборатории "Эксплуатационная надежность строительных материалов и конструкций" Балаковского института техники, технологии и управления были проведены эксперименты по формообразованию и работе свай в грунте, а также определению несущей способности свай с преднапря-дением по грунту. Экспериментальные исследования проводились на конструкциях набивных конических свай. При проведении экспериментальных исследований были решены следующие задачи: - отработана технология формообразования свай в грунте; - изучено взаимодействие свай с околосвайным грунтом при формировании их ствола и при работе под нагрузкой; - определены доминирующие факторы, влияющие на повышение несущей способности свай; - оптимизированы размеры свай и определены наиболее выгодные их соотношения; - установлено влияние уровня предварительного напряжения грунта на несущую способность свай.
Результаты исследования различных авторов [22, 29, 32, 33, 42, 68, 77, 78, 84] указывают на то, что наибольший эффект от использования свай достигается в песчаных грунтах, поэтому в качестве модели грунта был выбран песок, физико-механические характеристики которого приведены в табл. 3.1.
Для проведения эксперимента по исследованию работы сваи под вертикальной статической нагрузкой использовался большой лоток (рис. 3.1). Эксперименты по формообразованию конической сваи проводился в малом лотке (рис. 3.2).
При проведении экспериментальных исследований свай использовалось силовое устройство, состоящее из рамы, жестко связаной с лотком, упорной балки и домкрата грузоподъемностью 5т. Домкрат обеспечивал плавное нагружение и позволял поддерживать необходимую величину нагрузки на сваю в течение длительного периода времени. Осадка свай от приложенной нагрузки регистрировалась прогибомерами 6-ПАО системы Листова, которые устанавливались в местах, позволяющих фиксировать перемещения в характерных точках. Подача воздуха или материала в ствол сваи выполнялась пневматическим компрессором.
Контроль за давлением осуществлялся с помощью образцовых манометров с ценой деления 1,6кПа. Для определения истинного напряженного состояния вокруг исследуемой сваи, а также величины релаксации напряжений во времени использовались мессдозы.
В качестве пригрузки использовался штамп диаметром Dm=60cM с системой регулируемого давления на основание. Нижняя часть штампа выполнена в виде пневматической подушки, что позволяет передавать на основание равномерно распределенную нагрузку. Верхняя часть штампа представляет собой круглую металлическую плиту толщиной t=lcM, которая принималась абсолютно жесткой для величин давлений, действующих на штамп. Для придания поверхности сваи подобия шероховатости ее боковую поверхность покрывали одним слоем клея БФ-2 и посыпали мелкозернистым песком. Кроме того, в ходе исследований использовалось дополнительное оборудование в виде двух тензометрических датчиков (рис. 3.3), симметрично установленных в грунте перпендикулярно продольной оси симметрии сваи. Датчики устанавливались в уровне верхней кромки сваи с размещением базовой части датчика за пределами активной зоны и фиксировали увеличение диаметра головы сваи. Чувствительность датчиков находилась в пределах 0,1.. .0,05мм, интервал измерений в пределах 0.. .50мм. Результаты тарировки датчиков приведены в приложении.Экспериментальные исследования процесса формообразования сваи в грунте проводились в малом поворотном лотке, заполненном послойно уложенным песчаным грунтом, который по мере укладки слоев уплотнялся трамбовкой массой 1 кг до плотности у=1,65... 1,75г/см3.
Модели свай имели следующие начальные размеры: диаметр с1=36мм, длина ствола L=330MM. В качестве ствола сваи использовались металлические бесшовные трубы соответствующих размеров. На трубы "одевали" внешнюю оболочку толщиной t=0,5MM с зазором по диаметру 0,5мм. Оболочка была выполнена из материала на основе резины [ЗЗа].
Эксперимент проводился следующим образом. Компрессором через подключенный к нему шланг в систему под давлением подавался воздух. Давление в системе увеличивалось ступенчато от 0 до бОкПа с шагом 1 ОкПа.
Воздух через входной патрубок поступал в расширительный бак и вытеснял находящийся в нем материал. Через выходной клапан расширительного бака материал поступал внутрь сваи в пространство между стволом и внешней оболочкой. Под давлением оболочка растягивалась, преодолевая давление грунта на сваю. Околосвайный грунт уплотнялся, получая при этом предварительное напряжение. Ввиду того что сопротивление грунта вдоль ствола сваи распределяется неравномерно, а оболочка закреплена хомутом у нижней кромки, радиальные деформации внешней оболочки от головы к основанию сваи уменьшались, в результате чего свая приобретала коническую форму. Для отслеживания процесса формирования ствола сваи в грунте по каналам в виде полых трубок, расположенных вдоль ствола сваи, были установлены индикаторы перемещений И1- И4, фиксировавшие радиальное увеличение ствола при изменении давления в системе (рис. 3.6). По показаниям индикаторов была получена хроника деформации оболочки в грунте под давлением (рис. 3.7).
По нанесенным на расширительный бак градуировочным меткам измерялся расход цементного раствора, подаваемого в сваю, в зависимости от величины давления в системе, что позволило получить зависимость приращения диаметра сваи от увеличения давления в системе.
На начальном этапе исследований были проведены предварительные эксперименты по выбору материала заполнителя, в качестве которого рассматривались гипсовый и цементный растворы. Эксперимент показал, что сваю, изготовленную из гипса, условно можно разделить на три части:
- 1-я часть - в самом верху сформировавшейся сваи образовалось пространство с меловой водой высотой до 4 см;
- 2-я часть - на 0,5... 1см ниже верхней кромки сваи образовалась рыхлая масса гипса, твердевшая после снятия внешней оболочки и слива верхней воды;
- 3-я часть - ниже рыхлой массы, вплоть до нижней кромки, сформировался твердый гипсовый ствол.
Инженерная методика расчета свай с использованием программного комплекса Лира
Натурные эксперименты являются наилучшим способом выявления всех тонкостей и особенностей работы конструкции, в отличие от модельных экспериментов дающих определенную погрешность. Но при этом натурные эксперименты требуют значительных временных и материальных затрат, кроме того само деформирование грунтов под нагрузками представляет собой очень сложный процесс, и прогноз поведения грунтового массива связан с большими трудностями.
В инженерной практике последнее время для моделирования работы натурных свай под нагрузкой все чаще используют численные методы. В данной работе с целью возможного расчета на ЭВМ путем математического моделирования в расчетном комплексе Лира 9.2. натурных свай новой конструкции, для дальнейшего их внедрения, было выполнено исследование процесса формообразования сваи в грунте с последующей ее работой под вертикальной статической нагрузкой. При этом в работе использовался один из наиболее популярных методов подобного типа - метод конечных элементов (МКЭ).
Точное моделирование работы сваи под нагрузкой требует знаний напряженного состояния массива околосвайного грунта после ее формообразования, т.е. значения величин нормальных напряжений в каждом конечном элементе. Неверное определение напряженного состояния в значительной степени может исказить реальную картину работы сваи. Поэтому, для обоснования правильности выбранных типов и характеристик элементов, а также граничных условий расчетной области автором, был смоделирован эксперимент формообразования модели сваи, описанный в п. 3.3.1 настоящей работы.
Согласно методу конечных элементов, расчетная область, представляющая собой систему "свая-грунт" разбивалась на некоторое число подобластей - прямоугольные конечные элементы. При этом выделялось три типа элементов с различным свойствами: - металлическая труба - прямоугольные конечные элементы №21, для плоской задачи которые предназначены для прочностного расчета пластин, нагруженных в своей плоскости, позволяющие моделировать плоское напряженное состояние; - оболочка - конечные элементы №21, но с иными, отличными от ме таллической трубы, жесткостными характеристиками; - грунтовый массив - физически нелинейные прямоугольные конечные элементы №281, предназначенные для моделирования односторонней работы грунта на сжатие с учетом сдвига по схеме плоской деформации в соответствии с законом Кулона. Массив грунта моделировался областью размером 0,5х 1м, со значительным количеством узлов и элементов области, при этом размеры конечного элемента были: - для металлической трубы - 4x2мм , 4x1 мм; - для оболочки - 4x0,5мм; - для грунта - 4x2мм, 4x1 мм и 4x0,5мм.
Исходными данными для характеристик элементов являлись физико-механические характеристики грунта, сваи и оболочки в каждом конечном элементе: удельный вес у; модуль деформации Е; коэффициент Пуассона и, представленные в табл.4.4. Условием внешних границ расчетной области является ограничение горизонтальных перемещений на вертикальной поверхности (их=0) и вертикальных перемещений на горизонтальной поверхности (и2=0). превышает 20%, что возможно из-за незначительной разницы в уплотнении слоев песка в лотке. В целом же выбранную расчетную схему можно считать достаточно точной, что позволяет использовать ее граничные условия, способы закрепления и принятые типы элементов при моделировании процесса формообразования натурных свай.
Однако, решение плоской задачи позволяет определить величины нормальных напряжений грунта лишь по двум направлениям - стх и <ту. Для нахождения третьей величины - az от плоских элементов был сделан переход к объемным элементам путем вращения исходной схемы вокруг некоторой оси симметрии. Полученные данные позволили перейти к объемной модели "свая-грунт". Грунтовый массив моделировался цилиндрической областью диаметром 2000мм и высотой 5000мм, путем вращения вокруг оси проходящей через центр трубы соответствующих плоских элементов, которые в результате этой операции трансформировались в объемные элементы. Таким образом, металлическая труба и оболочка моделировались пространственными 8-ми узловыми изопараметрическими конечными элементами №36 с тремя степенями свободы, представляющими линейные перемещения вдоль осей X, Y и Z.
Грунт моделировался физически нелинейным конечным элементом в виде произвольного гексаэдра. Элемент был построен в соответствии с законом Кулона-Мора и моделировал одностороннюю работу грунта на сжатие.
В результате был смоделирован ряд экспериментов по формообразованию конических свай различных начальных размеров с различным давлением преднапряжения окружающего грунта по боковой поверхности сваи.
Из общего количества экспериментов был выбран один при котором заготовка длиной L=4000MM И диаметром с1=215мм деформировалась давлением ЗООкПа. В результате диаметр головы сваи оказался D=550MM (рис. 4.6).
