Исследование работы комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку в глинистых грунтах

Актуальность работы. Комбинированные безростверковые свайные фундаменты являются эффективным типом фундаментов колонн каркасных зданий и сооружений, воспринимающие значительные горизонтальные нагрузки, которые позволяют достичь высоких технико-экономических показателей в условиях глинистых грунтов, что убедительно показано исследованиями БащНИИстроя и практическим опытом их применения. Рациональный объем таких фундаментов для российских объектов оценивается в 280 тыс. мЛ что составляет примерно 50% потребности фундирования каркасных зданий, по мнению А. Л. Гетмана [Готман, 1996].

Комбинированные забивные фундаменты являются достаточно сложными конструкциями, поскольку сопрягаются последовательно из нескольких элементов, что приводит к суммированию несущей способности по грунту всех комбинируемых элементов, значительно превышающей поэлементную погружающую способность копра. Конфигурация, размеры и параметры сопрягаемых элементов сильно влияют на несущую способность, в т. ч. горизонтальную, комбинированного свайного фундамента. Однако рациональность конфигурации и геометрических размеров отдельных сопрягаемых элементов, их «вклад» в несущую способность комбинированного свайного фундамента изучена не достаточно, что не позволяет оптимизировать параметры фундамента и повысить его технико-экономические показатели. В связи с этим представляется актуальным и своевременным проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований, включая численные, и выявление значимости и роли отдельных элементов комбтнированного свайного фундамента (КСФ) и его основания, а также сопоставление полученных закономерностей с экспериментальными данными и совершенствование расчетной схемы и методики расчета фундаментов в глинистых грунтах. Это послужит базой для более экономичных технических решений фундаментов каркасных зданий с большими нагрузками — до 3000 кН на вдавливание и 400.500 кНм на изгиб.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в исследовании особенностей работы горизонтально нагруженных КСФ, оптимизации.

Введение

б их конструктивных решений и совершенствовании метода расчета на горизонтальную нагрузку.

Для достижения поставленной цели решались следуюндие задачи:

1. Обзор и анализ особенностей работы КСФ на горизонтальную нагрузку как многоэлементной системы в глинистых грунтах.

2. Численные исследования работы горизонтально нагруженных КСФ для оценки значимости их основных элементов и деформационных характеристик основания, а также для выявления оптимальных параметров КСФ.

3. Анализ экспериментальных исследований закономерностей деформирования одиннадцати горизонтально нагруженных КСФ с учетом взаимодействия конструктивных элементов фундамента между собой и с грунтом.

4. Разработка предложений по оптимальным конструктивным решениям КСФ.

5. Разработка усовершенствованной методики расчета КСФ на горизонтальную нагрузку, в том числе с учетом нелинейности деформирования системы «фундамент — основание».

Настоящая работа выполнена в УГНТУ и в БашНИИстрое в соответствии с тематическими планами ЬШР, в т. ч. по хоздоговорам. Полевые эксперименты проведены в Уфимском НИИпромстрое (ныне БашНИИстрой) под руководством А. Л. Гетмана на экспериментальном полигоне института и на строительных площадках г. Уфы.

Методика исследований заключалась в научном анализе теоретических положений, экспериментальных данных и практического опыта применения КСФ в инженерно-геологических условиях Башкирииив установлении численным исследованием оптимальных параметров (факторов) фундаментов, позволяющих получить наибольшую несущую способность при минимальных затратах ресурсовв сопоставлении результатов численных исследований автора с результатами экспериментальных данных, полученных испытаниями натурных КСФ, а также в совершенствовании расчетной схемы и уточненного инженерного метода расчета КСФ на горизонтальную нагрузку. При этом проанализированы отечественные и зарубежные публикации, изучена базовая профессиональная литература (учебники, справочники, СНиПы, ТСН, ГОСТы, ТУ, периодика, труды международных, российских и региональных конгрессов, конференций и совещаний), отчеты по НИР БашНИИстроя и инженерно-геологическим изысканиям ЗапУралТИСИЗа, использованы теоретические положения планирования экспериментов и регрессионного многофакторного анализа. Применен персональный компьютер типа «Pentium ММХ-200» для численных исследований и интерпретации результатов всей работы с помощью программного обеспечения: «Microsoft Word» (текстовый редактор, выполнение рисунков), «Paint» (выполнение рисунков), «Microsoft Excel» (вычисления, построение гис-тограмм), «Sigma Plot» (построение графиков и гистограмм), «Арком-гор» (численные эксперименты).

Научная новизна и практическая ценность работы характеризуются следующими результатами:

• выявлены значимость и особенности пяти основных факторов КСФ (коэффициенты постели грунтового основания подколенника и свай, поперечный размер и высота подколенникаугол наклона свай к вертикали), влияющих способл*ости на формирование его несущей и отражающих истинную работу по грунту на горизонтальную нагрузку;

• установлены абсолютные значения коэффициентов независимых переменных полинома, по которым определены размеры перемещений КСФ в уровне дневной поверхности грунта;

• на основании результатов натурных экспериментов выявлены закономерности работы конструктивных элементов КСФ в грунте при действии горизонтальной нагрузки и изгибающего момента;

• выявлена сходимость результатов численных исследований с экспериментальными данными, полученными в глинистых грунтах;

• оптимизированы размеры подколенника КСФ с горизонтальной несущей способностью в пределах 300 кН и изгибающим моментом до 500 кН*м;

• предложена расчетная схема горизонтально нагруженного КСФ, предусматривающая работу наклонных свай в упругой стадии и нелинейность деформирования системы «фундамент-основание» ;

Введение

8.

• усовершенствована методика расчета КСФ на горизонтальную нагрузку и изгибаюнлий момент.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие результаты исследования КСФ:

• материалы анализа конструктивных решений, технологических схем возведения, особенностей работы, грунтовых условий экспериментальных площадок, а также методов расчета свай на горизонтальную нагрузку;

• результаты численных исследований КСФ с помощью программного обеспечения, в т. ч.: значимость и особенности пяти основных факторов, влияющих на формирование горизонтальной несущей способности КСФ по грунтуабсолютные значения коэффициентов полинома для определения размеров перемещений подколонника в уровне дневной поверхности грунта- => впервые установленные параметры разброса значений горизонтальных перемещений подколонника в уровне дневной поверхности грунтакорреляция результатов с проанализированными данными экспериментально-производственных исследований- => оптимальные конструктивные решения КСФ;

• результаты экспериментальных исследований работы КСФ на горизонтальную нагрузку, анализ особенностей формирования напряженно-деформированного состояния системы «фундамент — основание»;

• усовершенствованная расчетная схема и уточненный инженерный метод расчета КСФ тяжелых каркасных зданий на горизонтальную нагрузку, в т. ч. с учетом нелинейности.

Результаты исследований положены в основу второй редакции Рекомендаций по проектированию и устройству комбинированных свайных фундаментов [Рекомендации 1985], внедряются БашНИИстроем при проектировании фундаментов каркасных зданий, а также используются в учебном процессе на Архитектурно-строительном факультете УГНТУ и факультете Природообустройства БГАУ.

Апробация материалов исследования. Результаты настоящей работы были обсуждены на Международной научно-технической конференции «Наука — образование — производство в решении экологических проблем» (Экология — 99, УГАТУ, Уфа, 1999) — на I Центрально-Азиатском геотехническом симпозиуме «Геотехнические проблемы строительства, архитектуры и экологии на рубеже 21 века» (Казахстан, Астана, 2000) — на научно-технических конференциях при Международных специализированных выставках «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство» (Уфа, 2000, 2001) — на Международном семинаре по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (ПГТУ, Пермь, 2000) — на Международной конференции «Геотехниканаука и практика», посвященная памяти Б. И. Далматова (Санкт-Петербург, 2000) — на научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития АПК республики Башкортостан» (БГАУ, Уфа, 2000, 2001) — на научном семинаре по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения, посвященном 100-летию В. Н. Голубкова и 50-летию кафедры оснований и фундаментов Одесской государственной архитектурно-строительной академии (Одесса, май, 2001).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах. По теме диссертации имеются публикации в трудах 1 Центрально-азиатского геотехнического симпозиума в Астане (Казахстан, 2000) — в Международных межвузовских сборниках научных трудов УГНТУ «Проблемы строительного комплекса России» (1998, 2000, 2001) — в трудах Международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (Пермь, 2000), Международной конференции «Геотехника: наука и практика» по современным проблемам механики грунтов и фундаментостроению, посвященная памяти Б. И. Далматова (Санкт-Петербург, 2000) — семинара по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения, посвященном 100-летию В. Н. Голубкова и 50-летию кафедры оснований и фундаментов Одесской государственной архитектурно-строительной академии (Одесса, май, 2001).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации рассмотрен комплекс взаимосвязанных вопросов, относящихся к систематизации и анализу конструктивных рещений комбинированных свайных фундаментов тяжелых каркасных зданийк выявлению численными исследованиями оптимальных параметров рассматриваемых фундаментов, работающих на горизонтальную нагрузку в глинистых грунтахв сопоставительном анализе результатов натурных исследований с результатами численных исследований фундаментов и в совершенствовании расчётной схемы и методики расчёта на горизонтальную нагрузку. Показано, что конструктивные решения комбинированных свайных фундаментов и методика их расчёта могут быть усовершенствованы путём использования ниже перечисленных выводов.

1. Комбинированные свайные фундаменты, как альтернативные кустовым фундаментам, состоят из нескольких элементов и являются наиболее оптимальными, надёжными и экономически целесообразными фундаментами каркасных зданий с вертикальной нафузкой 2500.3000 кНи горизонтальной нафузкой до 300 кН.

2. Впервые проведены численные трёхуровневые исследования значимости факторов на формирование несущей способности КСФ на горизонтальную нафузку и момент. При этом обоснованы количественные входные трёхуровневые параметры факторов влияния на несущую способность фундаментов, согласующиеся с реальными фунтовыми условиями и конструктивными особенностями сваепофужающих копров.

3. Численными исследованиями установлена значимость факторов, формирующих сопротивление КСФ горизонтальной нагрузке, а именно:

— коэффициент постели грунта вокруг подколенника оказывает наибольщее влияние (58%) на значение горизонтального перемещения подколонника (2.3 мм) от действия горизонтальной и моментной нагрузок в уровне поверхности грунта;

— поперечный размер подколонника существенно (до 35% или ¡-Л2 мм) влияет на общее сопротивление КСФ воздействию горизонтальной силы и момента;

— высота подколонника, угол наклона свай и коэффициент постели околосвайного грунта в диапазоне исследованных параметров незначительно изменяют величину горизонтального перемещения КСФ (суммарно всего на б./О % при перемещении 0,27.0,72мм).

4. Результаты натурных исследований экспериментальных КСФ на площадках со связными грунтами (от мягкопластичной до полутвёрдой консистенции) имеют хорошую корреляцию с результатами численных исследований, что позволило выявить особенности, параметры, характерные размеры фундаментов, грунтовые условия, а также напряженно-деформированное состояние, которое имеет следующие особенности:

— кривые «.нагрузка — перемещение» имеют ярко выраженную нелинейную форму, обусловленную нелинейной деформативностью грунта вокруг подколонника;

— высокая сопротивляемость КСФ горизонтальному воздействию предопределяется его конструктивными особенностями, т. е. массивным подколенником, включенным в работу по боковой поверхности и подощве;

— сваи работают в упругой стадии, их перемещение составляет 3.4 мм, т. е. 30.40% от перемещения подколонника в уровне дневной поверхности, а их длина более 3. 4 м не увеличивает сопротивляемость фундамента горизонтальной нагрузке;

— изгибающий момент в сваях имеет максимальное значение в зоне заделки её в подколенник, и эпюра носит ярко выраженный затухающий характер. Кроме того, мессдозы, установленные по подощве подколенника, показали большее давление у грани, к которой прикладывалась горизонтальная нагрузка, что согласуется с поступательным движением и небольшим поворотом подколенника.

5. Численные исследования и экспериментальные данные позволяют сформулировать следующие предложения по оптимизации рассматриваемых фундаментов:

— подколенник (монолитный или сборный) следует назначать с учётом фактических грунтовых условий строительной площадки. При неблагоприятных условиях (высоком УПВ, Д > 0,5) предпочтение следует отдавать сборно-монелитнему подколеннику. В глинистых грунтах {Г = 0,0.0,5) при УПВ ниже подошвы подколенника целесообразно подколенник выполнять в монолитном варианте.

— наиболее оптимальным поперечным размером подколенника является 0,9.1,2 м, что обеспечивает сопряжение с коленной и монтаж вышележащих конструкций, а также учитывает конструктивные возможности копровой стрелы. Оптимальная высота подколенника находится в пределах 1,5.2,1 м.

— в подколеннике размещаются не белее 5 свай сеч. 30×30 см, а угол наклона свай целесообразно принимать 5°.72.

— длина свай не оказывает существенного влияния на несущую способность на горизонтальную нагрузку, поскольку изгибающий момент в сваях затухает на глубине 2,5.3,0 м. 6. На основе результатов численных и экспериментальных исследований усовершенствована расчётная схема и методика расчёта горизонтально нагруженного КСФ, в которой содержатся следующие положения:

— коэффициент постели определяется по материалам инженерно-геологических изысканий с использованием модуля деформации грунтов, а также по данным статического зондирования грунтов;

Глава 4 140.

— учитывается сопротивление грунта под подошвой подколонника при горизонтальной нагрузке;

— расчет КСФ на горизонтальную нагрузку производится с учетом нелинейной работы грунта вокруг подколонника и нелинейности работы материала свай, при этом работа грунта вокруг свай рассматривается в линейной стадии;

— учитывается угол наклона свай к вертикали.

7. Результаты исследований положены в основу II редакции Рекомендаций по проектированию и устройству комбинированных свайных фундаментов, внедряются БашНИИстроем при проектировании фундаментов каркасных зданий. Осуществлено экспериментальное проектирование и устройство КСФ (180 мЛ) с использованием результатов настоящего исследования на одном из объектов г. Уфы с экономическим эффектом 220 тыс. руб. в текущих ценах.

Аббасов, 1977.

Адлер и др., 1976.

Аннотации 1978.

Бабичев, Колесник, 1990.

Бабичев, Миткина, 1980.

Бабушкин и др., 1976.

Багдасаров, 1984.

Балеевских, 1974.

Балеевских, 1978.

Бартоломей, 1976.

Бартоломей, 1990.

Аббасов П. А. Исследование и внедрение плоскопрофилированных свай в сложных фунтовых условиях Юга Дальнего Востока: Автореф. дисс.. канд. техн. наук .- М., 1977. 26 С.

Адлер Ю.П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. 278 С.

Аннотации докладов и сообщений на VI Евр. конференции по мех. грунтов и фунда-ментостроению//Пер. и научи, редактирование Му-люкова Э.И., М.: ЦИНИС Госстроя СССР, 1978. 89 С. Бабичев З. В., Колесник Г. С. Резервы повышения эффективности фундаментостроения в урало-сибирских регионах//Тр.Уф. НИИпромстроя.- Уфа, 1990. С. З- 21. Бабичев З. В., Миткина Г. В. Опыт внедрения фундаментов из полых круглых свай и свай-оболочек для каркасных промышленных зданий//Тр. Уф. НИИпромст-роя.Основания и фундаменты.-Уфа, 1980. С.26−30. Бабушкин Г. У., Гинзбург Л. К., Шамраева Т. И. Опира-ние колонны каркасного здания на одну сваю//ОФМГ-1984.-№ 4.-С. 11−14.

Багдасаров Ю. А. Расчет осадок фундаментов в вытрамбованных котлованах на воздействие вертикальных и горизонтальных нагрузок/ЮФМГ- 1984. № 4.-С. 11−14. Балеевских Б. С. Исследование и разработка конструкций опор трубопроводных сооружений из железобетонных свай колонн: Автореф. дисс.. канд. техн. наук.- Челябинск, 1974. 24 С.

Балеевских A.C. Исследование области и оптимальных условий применения свайных фундаментов в массовом промышленном строительстве: Автореф. дисс.. канд. техн. наук.- Д., 1978,-24 с.

Бартоломей A.A. Экспериментальные и теоретические основы прогноза осадок ленточных свайных фундаментов и их практические приложения: Автореф. дисс. докт. техн. наук.-М., 1976.-47 с.

Бартоломей A.A. Тенденции развития современного свайного фундаментостроения//Тр. II Всесоюзной конф. «Совр. Проблемы свайного фундаментостроения в СССР».- Одесса, 1990. С. 3−10.

Бартоломей A.A., Кудрявцев А. Н., Гандельсман И. А. Исследование и внедрение односвайных фундаментов с промежуточным элементом // Проблемы свайного, фун-даментостроения: Тр. Ш Междунар. конф. Часть 1.

Бартоломей, 1995 Бахолдин, 1981.

Березанцев, 1946.

Берман, Цесарский, 1985.

Битайнис, 1979.

Бобылев и др., 1987.

Бродский и др., 1982.

Быков, 1978.

Быков, 1994.

Вознесенский и др., 1989.

Галеев, 1991.

Пермь, 1992.-С. 13−14.

Бартоломей A.A. 0 свайном фундаментостроении // ОФМГ- 1995.-№ 3.-С. 3−7.

Бахолдин Б. В. Прогресивные конструкции свайных фундаментов // Тр. НИИОСП «Совершенствование, конструкций и методы устройства фундаментов и подземных сооружений в сложных грунтовых условиях. -М.: НИИОСПвып. 75. 1981.-С. 117−124. Березанцев В. Г. Расчет одиночных свай и свайных кустов на действие горизонтальных сил. — М.: Воениздат, 1946. 60 С.

Берман В.И., Цесарский A.A. Об эффективности применения комбинированных свай // Технология и оборудование для специальных строит, работ: Сб. тр. ВНИИГС, Л., 1985.-С. 74−81.

Битайнис А. Г. Исследование метода комплексной оценки эффективности новых видов свай с учетом фактора времени (на примере седловых свай): Автореф. дисс.. канд. техн. наук. — М., 1979.-26 с. Бобылев Ю. Я., Гончаров Б. В., Бабичев З. В. Опыт и перспективы фундаментостроения в Башкирии // Тез. докл. IV Всесоюзн. совещ. по фундаментостроению (Уфа, сент., 1987). — М.: Стройиздат, 1987. С.78−83. Бродский В. З., Бродский Л. И., Голикова Т. И. и др. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиноминальных моделей (справочное издание). — М.: Металлургия, 1982. 752 С.

Быков В. И. Исследование работы свайных фундаментов с низким ростверком на горизонтальные нагрузки: Автореф. дисс.. канд. техн. наук. — М., 1978. 21 С. Быков В. И. Новое навесное оборудование для устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах и набивных свай в пробитых скважинах // ОФМГ.-1994. № З.-С. 23−25.

Вознесенский В.А., Ляшенко Т. В., Огарков Б. Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ: Учебникпод ред. В. А. Вознесенского // Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989. 328 С. Галеев Р. Г. Исследование напряженно-деформированного состояния комбинированных свайных фундаментов на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок: Дисс.. .. канд. техн. наук.- Астрахань, 1991.205 С.

Глотов n.M., Луга A.A., Силин К. С. и др. Свайные фундаменты. — М.: Транспорт, 1975. 432 С.