Напряженно-деформированное состояние армированных грунтовых оснований и насыпей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Акулецкий Александр Сергеевич

• Акулецкий Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Акулецкий Александр Сергеевич

Введение

Глава 1. Современное состояние методов оценки напряженно-деформированного состояния массивов грунта при взаимодействии с армирующими конструкциями

1.1 Способы и область применения различных методов укрепления грунтовых оснований

1.2 Методы расчета армированных грунтовых оснований

1.3 Выводы по главе

Глава 2. Реологические свойства грунтов и описывающие их уравнения

2.1 Основные понятия и определения реологии

2.2 Реологические модели и уравнения

Глава 3. Контактная задача взаимодействия длиной сваи с многослойным массивом грунта

3.1 Введение

3.2 Методы определения осадок одиночных свай (обзор)

3.4 Решение задачи с учетом нелинейных свойств грунтов

3.5 Решение задачи с учетом реологических свойств грунтов

3.6 Выводы по главе

Глава 4. Контактная задача взаимодействия длиной сваи с массивом грунта в составе свайно-плитного фундамента

4.1 Методы определения осадок свайных фундаментов (обзор)

4.2 Решение поставленной задачи в линейной постановке

4.3 Выводы по главе

Глава 5. НДС насыпных грунтов, армированных грунтовыми сваями в составе свайно-плитных фундаментов

5.1 Технология изготовления грунтовой сваи в насыпных грунтах и ее экспериментально-теоретическое обоснование

5.2 Взаимодействие грунтовой сваи с окружающим насыпным грунтом в составе свайно-плитного фундамента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение.

Актуальность темы исследования

С учетом современных темпов развития городского пространства в последнее время все чаще используют строительные площадки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Большинство таких площадок строительства характеризуются слабыми водонасыщенными и насыпными грунтами. При большой мощности (более 25 м) в качестве основного типа фундамента на таких площадках рассматривают свайный фундамент из буронабивных и забивных свай большой длины, опирающихся на более плотные подстилающие грунты. Одними из важнейших параметров при проектировании и последующем строительстве зданий и сооружений на преобразованных основаниях, сложенными водонасыщенными грунтами, являются несущая способность и осадка оснований.

Таким образом, строительство на слабых и насыпных грунтах требует решить задачи, одной из которых является количественная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) основания, взаимодействующего со сваями и ростверком в соответствии с выбранной расчетной моделью (линейной, нелинейной, реологической).

Для определения оптимального типа фундамента, а также оптимальных размеров фундаментов необходимо повышение точности и достоверности определения несущей способности фундаментов на слабых водонасыщенных грунтах. Аргументация применения методов преобразования слабых водонасыщенных оснований основывается на теории консолидации и ползучести водонасыщенных грунтов. При исследовании напряженно-деформированного состояния взаимодействия длинных свай с окружающим и подстилающим грунтами применяется теории линейной, нелинейной деформируемости, а также ползучести грунтов.

Теория ползучести водонасыщенных грунтов, являющаяся частью теории многофазных грунтов, в настоящее время является определяющей теоретической базой для оценки осадок и несущей способности водонасыщенных оснований.

Современное строительство высотных зданий и сооружений, относящихся к повышенной категории ответственности (КС3), выдвигает новые запросы учета факторов, учитывающих взаимодействие системы «основание - фундамент - надземная высотная часть»:

• выбор и обоснование геомеханической модели грунтового основания в соответствии с инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями площадки строительства;

• выбор расчетных моделей грунтов с учетом больших нагрузок на основание;

• Количественная оценка силового взаимодействия НДС высотной и подземной частей здания с грунтами основания с учетом ползучести грунтов основания.

Вышеперечисленные факторы могут быть учтены при решении задач в линейной, нелинейной и реологической постановках аналитическими методами и в итоге получены простые формулы, востребованные проектировщиками.

Степень разработанности темы исследования

Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия сваи и ростверка с окружающим грунтом выполнялись Тер-Мартиросяном З.Г., Знаменским В.В., Тер-Мартиросяном А.З., Готман Н.З. и др.

В настоящей работе рассматриваются расчетно-теоретическое обоснование взаимодействия свай и ростверка с грунтом с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств. Рассмотрение данных вопросов определяется необходимостью количественной оценки осадок свайных и свайно-плитных фундаментов для слабых и насыпных грунтовых оснований.

Целью работы является изучение и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия армированных сваями оснований с окружающим грунтом в составе свайно-плитных фундаментов с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств грунтов аналитическим и численным методами

Задачи исследования

1. Решение задачи взаимодействия одиночной сваи большой длины с окружающим многослойным и подстилающим грунтами;

2. Решение задачи взаимодействия сваи большой длины в составе свайно-плитного фундамента с многослойным массивом грунта;

3. Решение задачи взаимодействия сваи большой длины с окружающим многослойным и подстилающим грунтами с учетом реологических свойств;

4. Количественная оценка взаимодействия длинной сваи и окружающего чередующегося грунта с учетом упругопластических и реологических свойств;

5. Количественная оценка распределения усилий между боковой поверхностью и нижним концом сваи;

6. Определение зависимости изменения давления под подошвой сваи и осадки во времени.

7. Расчетно-теоретическое обоснование технологии устройства грунтовых свай, в том числе щебеночных, путем рассмотрения задачи о расширении лидерной скважины аналитическим методом.

8. Количественная оценка взаимодействия щебеночной сваи с окружающим уплотненным слоем насыпного грунта и определение приведенного модуля деформации системы «свая-уплотненный слой насыпи».

Объектом исследований является количественная оценка напряженно-деформированного состояния водонасыщенного грунтового массива и подземных конструкций зданий и сооружений.

Предметом исследования является массив грунта, представленный чередующимися слоями и взаимодействующие с ним подземные конструкции.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Поставлена и решена задача о взаимодействии сваи с окружающим грунтом в реологической постановке на основе модели Максвелла с учетом упрочнения и разупрочнения грунта.

2. Впервые решена задача о взаимодействия сваи большой длины с окружающим многослойным и подстилающим грунтами с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств;

3. Построены кривые осадка-нагрузка сваи большой длины во времени;

4. Впервые получена зависимость для определения напряжений под подошвой сваи и осадки сваи с учетом реологических параметров упрочнения и разупрочнения;

5. Решена задача взаимодействия длинной сваи с окружающим и подстилающим грунтами, а также ростверком в составе свайно-плитного фундамента в линейной постановке;

6. Дано расчетно-теоретическое обоснование технологии устройства грунтовых свай, в том числе щебеночных, путем рассмотрения задачи о расширении лидерной скважины в линейной постановке;

7. Дана количественная оценка взаимодействия щебеночной сваи с окружающим уплотненным слоем насыпного грунта и определение приведенного модуля деформации системы «свая-уплотненный слой насыпи»

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:

1. Решении актуальных задач по количественной оценке НДС длинной сваи с окружающим многослойным и подстилающим грунтами с учетом современных реологических и упругопластических моделей Максвелла и Тимошенко аналитическим методом;

2. Определении закономерностей распределения общей нагрузки на сваю между боковой поверхностью и нижним концом сваи в нелинейной и реологической постановках;

3. Решении задачи взаимодействия длиной сваи с окружающим и подстилающим грунтами, а также ростверком в составе свайно-плитного фундамента аналитическим и численным методами;

4. В разработке расчетно-теоретического обоснования технологии устройства грунтовых свай, в том числе щебеночных;

5. Предложены формулы для определения приведенного модуля системы «свая-уплотненный слой насыпи» на основе решения задачи о взаимодействии щебеночной сваи с окружающим уплотненным слоем насыпного грунта.

Методология и методы исследований

Для решения поставленной задач использовались методы теории упругости, пластичности, в том числе по Гуку, Тимошенко, а также теории прочности Кулона-Мора. Для аналитического решения о взаимодействии сваи с окружающим и подстилающим грунтами использован метод решения контактной задачи о взаимодействии строительной конструкции с окружающим грунтом. Для определения жесткости многослойного основания использован метод равенства условных деформаций. В качестве расчетной модели для грунтов использованы теоретические основы по Гуку, Тимошенко, реологическая модель Максвелла с учетом упрочнения и разупрочнения. Задача сводится к системе дифференциальных уравнений 1-го порядка,

требующей начальных условий из упругой постановки. Дана сравнительная оценка методов исследований поставленной задачи аналитическим и численным методами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических исследований взаимодействия одиночной сваи с многослойным окружающим и подстилающим грунтами с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств и их анализ;

2. Результаты исследования взаимодействия длиной сваи с многослойным окружающим и подстилающим грунтами. Также ростверком и их анализ. Сравнение с численным моделированием;

3. Результаты теоретических исследований об обосновании технологии устройства щебеночной сваи, а также анализ напряженно-деформированного состояния взаимодействия щебеночной сваи с уплотненным слоем насыпи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженно-деформированное состояние армированных грунтовых оснований и насыпей»

Апробация работы

Результаты исследований, полученные в ходе работы, докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Construction the Formation of Living Environment».

Личный вклад автора

Автор лично выполнил обзор современного состояния вопроса, участвовал в формулировании и постановке задачи и ее аналитическом решении. На его основе выполнил нелинейное решение с учетом поведения грунта вокруг сваи и его анализ путем построения графиков зависимости осадка-нагрузка, осадка время при постоянной нагрузке с учетом упрочнения и разупрочнения. Выполнена сравнительная оценка аналитического и численного решений задачи в упругой постановке.

Достоверность результатов исследования

Достоверность результатов, полученных в рамках настоящей диссертационной работы, обеспечена использованием современных

реологических и упругопластических моделей при решении на теоретической основе прикладной механики грунтов. Численные расчеты выполнялись при помощи сертифицированного на территории РФ программного комплекса PLAXIS.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, в том числе 3 работы - в рецензируемых журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования, и одна работа опубликована в журналах, индексируемых в международных реферативных базах Scopus, Web of Science и других.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, 67 рисунков, 1 таблица. Список литературы содержит 107 наименований, в том числе 25 иностранных источников.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Почетному академику РААСН, Заслуженному деятелю науки РФ, почетному профессору МГСУ, доктору технических наук З.Г. Тер-Мартиросяну за ценные практические советы, постоянную помощь и консультации.

Глава 1. Современное состояние методов оценки напряженно-деформированного состояния массивов грунта при взаимодействии с армирующими конструкциями.

1.1 Способы и область применения различных методов укрепления грунтовых оснований.

При возведении зданий и сооружений повышенной ответственности (КС3) на строительных площадках, на которых распространены слабые глинистые грунты, прибегают к преобразованию строительных свойств различными технологиями. Основная цель - повышение деформационных и прочностных параметров грунтов основания. Одним из методов преобразования слабых грунтов является его армирование различными элементами. Характер расположения армирующих элементов, а также технологии их выполнения определяется в зависимости от физико-механических характеристик грунтов и задач, которые решаются при армировании. Технологические аспекты устройства армированных оснований в большой степени зависит от характера основания и особенностей напластований грунтов. В табл. 1 приведены обобщённые методы и способы армирования грунтов, применяемые в геотехнической практике.

Таблица 1.

Методы и способы армирования Положение армирующих элементов Область применения

Армирование путем пробивки, продавливания и раскатки скважин, с последующим их заполнением материалами с повышенной прочностью Вертикальное Укрепление и упрочнение оснований, сложенных лессовыми просадочными, насыпными и рыхлыми пылеватоглинистыми грунтами

Устройство грунтоцементных свай Вертикальное Укрепление и усиление оснований, сложенных лессовыми просадочными и

слабыми водонасыщенными грунтами

Закрепление грунтов путем устройства буронабивных свай Вертикальное Лессовые просадочные, насыпные и слабые водонасьпценные грунты

Устройство щебеночных/песчаных свай-дрен Вертикальное Все виды слабых водонасыщенных грунтов, увеличение скорости дренирования грунта

Закрепление известковыми и грунтоизвестковыми сваями Вертикальное Все виды слабых водонасыщенных грунтов

Устройство забивных свай Вертикальное Усиление и укрепление оснований, сложенных структурно-неустойчивыми и слабыми водонасыщенными грунтами с использованием промежуточной подушки

Закрепление грунтов силикатизациией, смолизацией и др. химическими растворами Вертикальное Упрочнение и укрепление оснований, сложенных лессовыми просадочными, рыхлыми песчаными и насыпными, а также слабыми водонасыщенными грунтами

Армирование с использованием высоконапорных инъекций Вертикальное, горизонтальное, под углом Все виды слабых грунтов

Армирование с использованием высокопрочных геосинтетических материалов Вертикальное, горизонтальное, под углом Все виды слабых грунтов

Применение песчаных и щебенистых свай в строительной практике становится популярным за счёт своих экономических показателей. За счет восприятия части нормальных напряжений от приложенных нагрузок происходит разгружение слабого грунта, что приводит к увеличению несущей способности основания и снижению осадок. При строительстве на слабых водонасыщенных грунтах щебенистые и песчаные колонны часто используют

в качестве дрен. В грунтах, обладающих структурной прочностью, особенно эффективно применяется геоматериал. Данной технологией представляется возможным ограничить напряжения в грунте величиной структурной прочности. Это существенно уменьшает риск возникновения неравномерной осадки и повышает устойчивость основания. Образование сплошного армированного уплотненного основания удается достичь при устройстве свай на расстоянии порядка трех-четырех диаметров.

Увеличить несущую способность грунта возможно введением свай в зону уплотнения. Это позволяет преобразованным основаниям воспринимать значительные статические нагрузки. В нашей стране разработкой методов расчета щебеночных колонн занимаются такие ученые как: Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З. [53-72, 74], и др.

Инъекционные методы укрепления грунтов основания применяют при строительстве зданий и сооружений различного назначения. Инъекционные методы применяют в несвязных дисперсных грунтах, также при строительствах в зонах распространения скальных грунтов. Данные методы хорошо зарекомендовали себя в качестве исключения водопритоков в подземные выработки и сооружения, устройства ограждений котлованов, защитных геотехнических экранов (завес), укрепления оснований и фундаментов зданий и других сооружений, находящихся в зоне влияния строительства.

В современной практике все чаще встречается применение направленного гидроразрыва для устройства вертикального армированного основания. Преимуществом данного метода является использование данной методики не только во влажных и маловлажных несвязных грунтах, а также в глинистых грунтах независимо от консистенции.

Для закрепления оснований плитных, ленточных и столбчатых фундаментов используют нагнетание растворов через инъекционные трубки. Трубки устраиваются одновременно с устройством тела фундамента.

Конструктивные схемы закрепления оснований при использовании инъекционных трубок приведены на рисунке 1.1:

/

Рис. 1.1. Укрепление грунтов основания через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента 1 - фундаментная плита; 2 - ребра жесткости; 3 - секции, заполненные дренажным материалом; 4 - лидерные скважины; 5 - инъекционные трубки; 6 - закрепленный массив

При таком методе закрепления грунтов используют трубки диаметром от 80 до 100 мм. Материал трубок как правило сталь, полипропилен или асбестоцемент.

Способ закрепления применяется:

а) в лессовых просадочных грунтах для предотвращения просадки;

б) в слабых, сильносжимаемых для уменьшения деформаций и обеспечения эксплуатационной надежности зданий и сооружений.

1.2 Методы расчета армированных грунтовых оснований

В Российской Федерации методы расчета армированных оснований и грунтовых массивов существенно продвинулись за счет таких ученых как: Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Папсуенко И.К., Федоровский В.Г, Безволев С.Г. и многие другие.

В своих работах З.Г. Тер-Мартиросяна [58, 64-65] изучал основания, закреплённые грунтобетонными колоннами. Им были предложены следующие методы для определения приведенных эквивалентных характеристик армированного грунтового основания:

1. Метод равных дефoрмаций.

2. Метод определения эквивалентного модуля деформации.

3. Полидисперсная мoдель с цилиндрическими включениями.

4. Определение приведенного модуля деформации массива, армированного сваями.

Ниже приводятся основные положения вышеперечисленных методов:

1) В методе равных деформаций основан на замене каждого слоя грунта однородной средой со средневзвешенными деформационными характеристиками. Это позволяет определить эквивалентный модуль деформации.

Приведенный модуль определяется из условия равенства деформаций сваи и окружающего грунта при взаимодействии укрепленного слоя грунта с плитным фундаментом:

N Nrp N

S = св s = гР S =

АсвЕсв АгрЕгр A(E) , .

Из равенства осадок Sz = Srp = Sce получают выражение для определения приведенного модуля деформации:

A E + A E

^ E = gr gr sw sw 1 2

А

где Е5Ю - модуль упругости грунтоцементной колонны, кПа;

Едг - модуль упругости окружающего грунта, кПа.

2) Модуль деформации укрепленного основания определяется как эквивалентный.

Объемный модуль деформации:

Е

К = -Е— 1.3

г 1 - 2ц

Модуль сдвига определяются по следующей зависимости:

Е

в = Е , 1.4

' 2(1 + ц)'

По следующим зависимостям возможно определение объемного модуля деформации, также модуля сдвига и коэффициента Пуассона укрепленного основания как однородной эквивалентной среды:

К = Ксвп+Кгрш,в = Осв п+вгрт, 1.5

(К - 2в) - ,

ц = —,-\ , 1.6

2(К+в)

где т, п - объемная для содержания грунтоцементных колонн и грунта соответственно.

Следующая зависимость позволяет определить эквивалентный модуль деформации:

(Е) = 2в(1+и), (Е) = К(1- 2ц), 1.7

3) В полицилиндрической модели (рис. 1.2) автором предлагается рассматривать однородную изотропную среду, которая армируется элементами. В данной модели цилиндры выполняют функцию армирующих элементов. Постоянное отношение радиусов цилиндра и окружающего массива является определяющим параметром. Радиус цилиндров ничем не ограничивается.

Рис. 1.2. Полицилиндрическая модель эквивалентной среды с включенными цилиндрами

Модуль деформации вдоль оси цилиндра можно записать в следующем

виде:

77 1Г, /г, 4пт(»се ~»грУ Огр

Е = тЕ+пЕл--т-^-/ у-*—, 1.8

тОсе л Осе гр

/{Кгр + Огр/3)+ 1

4) Метод приведенного модуля деформации грунтового массива может быть определен при рассмотрении контактной задачи, в которой рассматривается НДС взаимодействия фрагмента фундамента с одной сваей. Размеры вырезанного фрагмента определяются по расстоянию между сваями. Осадка фрагмента (грунтового цилиндра) определяется на основании рассмотрения задачи взаимодействия армирующего элемента и окружающего грунта при условии компрессионного сжатия. Это допущение позволяет определить величину совместной деформации грунта и армирующего элемента.

Расчетная схема представляет собой грунтовый цилиндр в которой расположена свая, также на цилиндр передается нагрузка резе ростверк. Приложенная нагрузка равномерно распределяется между грунтовым цилиндром и армирующим элементом. Приведенный модуль деформации находим по следующей формуле:

_ £А ~(£Б ~ £С)/2 1 о

я - 1 , 19

Е-Р р, 1.10

я2

Полученные приведенные эквивалентные характеристики могут быть использованы при расчетах осадки плиты на искусственном основании. При определении осадки применяют следующие методы:

1. Метод послойного суммирования.

2. Определение осадки сооружения с использованием приведенных характеристик усиленного грунта методом конечных элементов. Эквивалентный модуль деформации.

3. Расчет осадки с учетом непосредственного моделирования каждого армирующего элемента методом конечных элементов.

В работах И.Т. Мирсаяпова и В.Р. Мустакимова [34-36] расчетное

сопротивление армированного грунтового массива представляется в виде:

экв

о

огр

г Агр ~ Ааэ А Л

о гр лаэ | о ^аэ

°гР А А

1.11

V гР гР У

где

Ягр - расчетное сопротивление грунта, окружающего армирующие элементы, кПа;

Яаэ - прочность элементов, используемых для армирования, кПа;

Агр - площадь массива грунта, ограниченная границами армирования, м2.

Эквивалентный модуль деформации Е вычисляют по формуле:

Г { л л \ „ , Л

"гр.м

^экв _ Егр{Агр Ааэ) ^ ЕаэАаэ

А А

V гр ^гр у

Гя +У/и , 1.12

Егр - модуль деформации окружающего грунта, кПа; Еаэ -модуль деформации принятого армоэлемента, кПа; Егр,мэкв- модуль деформации преобразованного грунта, расчет которого выполнен по материалу принятого армоэлемента, кПа;

18

Егр,тэке -приведенный модуль деформации преобразованного грунта

Уа= 1+0.3(-аэ/^) и у^=1,07((^-^) / , - проценты армирования грунта.

Осадку преобразованного основания находят с использованием метода послойного суммирования. При расчете используют эквивалентный модуль деформации.

В работах В.И. Крутова и И.К. Попсуенко [27, 28] рассматривались вопросы обеспечения прочности подстилающих грунтов при устройстве армированного основания. При рассмотрении вопросов использовали условия ограничения давления, передаваемого на инженерно-геологический элемент. Это давление определялось по формуле:

As - площади поперечных сечений армирующего элемента, м2;

Amt - площадь поперечного сечения грунта вокруг армоэлемента, м2;

ys - плотность армирующего элемента, кН/м3;

ymt - плотность уплотненной зоны грунта вокруг армоэлемента, кН/м3;

Rz - расчетное сопротивление грунта, находящегося под массивом грунта с армоэлементами кПа.

Отсутствие сдвига грунтов по боковой поверхности зон уплотнения обеспечивает совместную работу армирующих элементов и массива грунта. Ниже представлена зависимость, при которой обеспечивается отсутствие сдвига грунтов относительно вертикальных армирующих элементов:

где,

а - расстояние в плане между армоэлементами;

ус - плотность грунтов в природном состоянии, кН/м3;

у3 - плотность уплотненных грунтов, кН/м3;

фс - угол внутреннего трения грунта в природном состоянии, град;

Р

(0.865a2-лЯ02)Гс + ASYS + AmtYn

^ < Rz

1.13

(|o.86a2-R У + r2 Ус h <(°tgp2 + C2 )2wh,

1.14

ф - угол внутреннего трения уплотненных грунтов, град; С2 - удельное сцепление грунтов в природном состоянии, град; Сs - удельное сцепление преобразованных грунтов, град; Я - радиус зоны преобразованного грунта, м; г - радиус армирующего элемента, м;

о - среднее нормальное давление по поверхности сдвига, кПа. Данная методика описывает совместную работу армоэлемента и окружающего грунта. Стоит отметить, что даже при уплотненном массиве, такая идеальная ситуация не может иметь места.

В работах профессора А.Н. Саурина [48-49] представлена методика расчета, основанная на следующем предположении. Напряжения в грунте между армоэлементами уменьшаются за счет работы армирующих элементов. При этом реактивное давление находится по зависимости:

аа ~ А

12 св

где а1 - давление на уровне верха армирующих элементов, кПа; а] - шаг армирующих элементов в продольном направлении (направлении х-х), м;

а2 - шаг армирующих элементов в поперечном направлении (направлении у-у), м;

¥й - несущая способность армирующего элемента, кН. Несущая способность армоэлемента определяется по результатам полевых испытаний (проведение статического зондирования); Асв - площадь поперечного сечения армоэлемента, м2; После определения величины реактивного давления осадку преобразованного основания находим методом послойного суммирования.

В.Г. Федоровским и С.Г. Безволевым [81, 82] была предложена система дифференциальных уравнений в результате методологического подхода к расчету бесконечного вертикального армированного поля. В работах

рассматривается случай, в котором расположение вертикальных армирующих элементов происходит по регулярной сетке. Грунт, который находится между элементами предполагается однородным. При таких предположениях площадь единичной ячейки имеет площадь F = ^ + ¥2.

Уравнения равновесия являются исходными для расчета

_ а(&х -а2)

г\ 4 ' —^ = -т-u, 1.16

dz

u+FdU0, 1.17

а1 а1

а также уравнение закона Гука с учетом коэффициента Пуассона. Приводится билинейная модель зависимости Е2 от напряжения, [41, 42]

Е20

°2-^20

1.18

-Pst + Pst -^20 E Eo

J2 E20

где E2 и E20 —модули упругой (обратимой) и общей (упругопластической) деформации грунта соответственно.

2л

s1 =—m-тт, 1.19

1 In51 + d

где l и d - длина и диаметр армирующего элемента.

Работы А.М. Караулова [22-24] посвящены исследованию работы армирующего элемента на предельной стадии. В нижней и верхней частях элемента на торцах на начинают действовать предельные давления, а по боковой поверхности армирующего элемента начинают развиваться зоны проскальзывания грунта. Схема работы армирующего элемента представлена на рисунках 1.3 и 1.4.

Экрах 0

Рис. 1.3 Принципиальная схема работы армирующего элемента (разрез)

А-пощь

грнаяейи

е--е—е

Рис. 1.4 Отдельная ячейка поля Величина осадки Sг■ определяется следующим выражением:

§I-у^+п,^ -^)-{е- -)

+

+

ол

и{

{z2 - гх ){2т1 - т2)

6А

а

{22 - 21 )-

1.20

' ^ +п2^ -Z2{еа* -еа2У ^ 2 а

У-

Согласно исследованиям Л.В. Нуждина [37-39] за счет бокового давления обжатия обеспечивается работа армирующего элемента. Согласно разработанной методике рабочая схема передачи давления на армированный слой представлена на рис. 1.5. Анализируя расчетную схему, приведенную на рисунках 1.6 и 1.7, можно определить осадку фундамента по формуле:

Я — ^ + $тах + ,

1.21

где

Б] - сжатие грунта, ограниченного сверху подошвой фундамента снизу верхом армирующих элементов;

Бтах - осадка грунта, в пределах длины армоэлементов; Б2 - осадка грунтового основания подстилающих грунтов. Осадка Б] определяется в предположении компрессионного сжатия. Осадка Б2 находится согласно нормативной документации [54].

Максимально возможная осадка грунта в пределах длины армирующих элементов определяется выражением:

Я

0.8

с&и -)-и-^)2 '(2т1 + Ъту ~тн)-

тах

Е

П \ 2

(г,2 + z¡)+ „^ - Zo )+т (е-"1 - е-«0) 4 7 а 4 7

1.22

Рис. 1.5 Расчетная схема работы армирующих элементов:

а) эпюра дополнительных нормальных напряжений в грунте; б) эпюра контактных касательных напряжений

Рис. 1.6. Распределение нагрузок на основание (р, рн - нагрузка от внешнего давления соответственно в уровне верха и низа армирующих элементов)

Рис. 1.7. Расчетная ячейка армированного основания

Расчеты армированных грунтовых оснований методом численного моделирования с использованием современных программных продуктов сегодня далеко не редкость. К ним относятся такие программные комплексы

24

как PLAXIS, Midas и другие. Основными достоинствами МКЭ является простота предоставления конкретных решений, возможность выбора элементов в локальных зонах, а также учет этапности приложения нагрузок (рис. 1.8, 1.9).

Метод конечных элементов — это определяющий метод решения огромного количества задач, которые описываются дифференциальными уравнениями. Задачи, требующие использования метода конечных элементов, часто встречаются в механике грунтов. Разбиение расчетной области на конечные элементы являются основой метода конечных элементов. В задачах механики грунтов конечные элементы представляют грунтовый массив, систему типа фундамент - основание и т.п. Данные элементы имеют форму треугольников и четырехугольников.

Сейчас программные комплексы реализуют большое количество грунтовых моделей. Наиболее популярными являются:

- линейная модель;

- упруго-пластическая модель Мора - Кулона;

- нелинейная упруго-пластическая модель грунта с учетом упрочнения

(Hardening soil).

Deformed mesh | u | (scaled up 20,0 times)

Maximum value - 0,03892 m (at Node 5051)

Рис. 1.8. Расчетная схема в ПК Plaxis

Axial forces N (scaled up 2,00* 10"3 times)

Maximum value = 0,6088 kN (Element 70S at Node 79581) Minimum value = -435,6 kN (Element 116 at Node 78392)

Рис. 1.9. Схема распределения усилий в сваях

Краевые задачи для неоднородных сред, характер неоднородности которых связан с наличием в расчетной области участков, имеющих различные физико-механические свойства материалов, так же можно решать численными методами. Точность получаемых результатов чаще всего зависит от качества разбиения сетки (количества расчетных блоков). Граничные условия при решении конкретной задачи назначаются с учетом особенностей моделируемой ситуации.

1.3 Выводы по главе 1

1. Реальные условия деформирования армированных грунтовых оснований не учитывают действующие на данный момент нормативные документы. В связи с этим возникает необходимость провести научные исследования по разработке современных методов расчета армированных оснований. Методы должны учитывать совместное деформирование грунтов и армирующих элементов с учетом фактора времени при статических и циклических нагружениях.

2. Существующие методики расчета грунтовых массивов, армированных элементами, рассматривают только статическое нагружение и связаны с рядом допущений, которые существенно влияют на точность проводимого расчета. В большинстве рассмотренных случаев армирующие элементы рассматриваются абсолютно жесткими. Их жесткость существенно превышает жесткость грунта. Также в некоторых методиках принимаются допущения, что армирующие элементы в составе грунтового массива работают как единый монолит, что существенно влияют на точность расчетов.

3. В целом, методики, позволяющие достаточно точно оценивать напряженно-деформированное состояние оснований, армированных элементами, а также их несущую способность и осадку, имеют достаточно сложные итерационные алгоритмы. Решение по этим методикам возможно лишь с использованием специально разработанных программ.

4. Вопросы напряженно-деформированного состояния армированных грунтовых оснований и насыпей изучены недостаточно. Нормативная база расчета армированных грунтов представлена всего лишь несколькими нормативными документами. Поэтому вопросы дальнейшего изучения армированных грунтовых оснований и насыпей, разработки совершенных методов их расчета являются актуальными и представляют большой интерес

Глава 2. Реологические свойства грунтов и описывающие их уравнения.

2.1 Основные понятия и определения реологии

Как известно, грунт обладает реологическими свойствами. Ползучесть, релаксация это одни из реологических свойств грунтов.

Под ползучестью грунта подразумевается процесс деформирования грунта, который продолжается во времени даже при постоянной нагрузке. В принципе все реальные тела обладают свойством ползучести. Реологические свойства реальных тел могут проявиться с течением времени, в течение которого ведут наблюдение за процессом деформирования. Также реологические свойства могут проявиться от величины приложенной нагрузки и температуры. Повсеместно наблюдаются реологические явления в грунтах и горных породах. Образование селевых потоков, образование оползней, течение ледников и т. д. характеризуются реологическими процессами, которые можно наблюдать за промежутки времени от нескольких часов до нескольких столетий.

Такие явления как складкообразование, изгибы пластов горных пород и т. п. можно объяснить только реологическими процессами. Такие разрушения вызываются медленным проявлением реологических свойств пород под воздействием гравитационного давления, которое длится весьма продолжительное время (тысячи и десятки тысяч лет).

Но с инженерной точки зрения наибольший интерес представляют реологические процессы, протекающие в грунтах и горных породах во взаимодействии с инженерными сооружениями. Эти явления проявляются в сравнительно небольшие промежутки времени, соизмеримые со сроком службы сооружений. Ползучесть глинистых грунтов не редко являются причиной длительных осадок и кренов сооружений. Для определения характеристик, влияющих на реологические процессы, определяют в специальных лабораторных исследованиях. Методики проведения

исследований прописаны во многих источниках, а также научных работах [83, 87, 90-91, 94, 97-99, 101, 102].

Из этого замечаем, что при решении основных задач механики грунтов нельзя игнорировать учет реологических свойств грунтов и учет фактора времени. К расчетам по предельным состояниям с учетом реологических свойств можно представить одно основное требование. Необходимо определить такую нагрузку, при которой деформации сооружения за определённый промежуток времени не превысят предельно допустимые значения. Промежуток времени должен быть соизмерим со сроком эксплуатации сооружения.

Процесс незатухающей ползучести характеризуется снижением сопротивления грунта. Исходя из этого расчет по несущей способности сводится к нахождению нагрузки, при которой напряжения в грунте в определенный момент времени достигают предела длительной прочности.

Реология представляет из себя область науки, которая посвящена изучению и количественному прогнозированию изменения напряженно-деформированного состояния твердых и жидких сред во времени [2, 10-12, 14, 20, 33]. Наиболее ярко реологические свойства проявляются в водонасыщенных глинистых грунтах. Как известно, деформации ползучести глинистых грунтов при сдвиге значительно превышают упругие деформации, что крайне важно учитывать при рассмотрении совместной работы подземных сооружений и грунтового массива. Именно эти особенности ставят на особое место реологию грунтов в системе общей реологии. Реологические свойства грунтов по-разному проявляются при сдвиговых и объемных деформациях. Деформации, которые получаются при сдвиговых усилиях, во времени могут развиваться с затухающей, постоянной и прогрессирующей скоростями, при этом очевидно, что объемные деформации всегда развиваются с затухающей скоростью (рис. 2.1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Акулецкий Александр Сергеевич, 2022 год

// / /

20

40

60 80 Вермя^ час

100

120

140

Рис. 3.30 Графики зависимости V(0 при различных значениях коэффициента разупрочнения в

3.6 Выводы по главе 3

1. При взаимодействии сваи с окружающим многослойным грунтовым массивом возникает сложное НДС, при котором происходит распределение и перераспределение приложенной нагрузки между касательными напряжениями и напряжением под подошвой сваи. Полученная зависимость для определения приведенного модуля сдвига многослойного грунтового массива показала хорошую сходимость с численными методами в упругой постановке. При увеличении диаметра сваи увеличивается соотношение р / р, при увеличении длины сваи соотношение р / р уменьшается. Для свай большой длины характерно перераспределение приложенной нагрузки между касательными напряжениями по боковой поверхности сваи и реакцией под подошвой

сваи. Результатом такого перераспределения может быть полное исключение пяты сваи из работы. Максимальное использование несущей способности сваи под пятой обеспечивает подбор оптимального соотношения длины сваи и диаметра, что позволяет наиболее эффективно включить сваю в работу.

2. При взаимодействии сваи с окружающим многослойным грунтовым массивом, который обладает упруго-пластическими и реологическими характеристиками, возникает сложное НДС, при котором происходит изменение напряжения под подошвой сваи р2 во времени. Согласно полученным зависимостям, со временем происходит увеличения напряжений на пяте сваи, при этом касательные напряжения уменьшаются. Полученные зависимости позволяют спрогнозировать развитие осадки сваи во времени. Перераспределние усилий между нижним концом сваи и ее боковой поверхностью существенно зависят от реологических свойств многослойного грунтового массива. Анализ полученных графиков показывает, что время стабилизации осадок, а также время стабилизации давления под пятой сваи существенно зависит от реологического коэффициента упрочнения.

3. Анализ полученных графиков показывает, что время стабилизации осадок, а также время стабилизации давления под пятой сваи существенно зависит от реологических коэффициентов упрочнения и разупрочнения.

4. Время стабилизации осадок, а также время стабилизации давления под пятой сваи существенно зависит от выражения, описывающего процесс ползучести

Глава 4. Контактная задача взаимодействия длиной сваи с массивом грунта в составе свайно-плитного фундамента.

4.1 Методы определения осадок свайных фундаментов (обзор)

Как известно, при работе свай в составе фундаментов характеризуется осадкой межсвайного грунта. В научных работах неоднократно указывалось на взаимное влияние свай при работе свайных фундаментов. Из-за взаимовлияния свай напряженно-деформированное состояние зоны между сваями существенно отличается от работы одиночной сваи. Поэтому результаты статических испытаний одиночных свай не совсем корректно применять для оценки работы свайных фундаментов. Аналитические методы прогноза осадок свайных фундаментов при сопоставлении с работой одиночной сваи также не применимы. Исследования, проведенные проф. Бартоломеем А.А. [3-7], показали, что осадки одиночных свай значительно меньше однорядных свайных фундаментов. В его работах указывается что, некорректно ориентироваться на осадку одиночных свай при определении осадки свайных кустов.

К. Терцаги [103] также отмечает, что осадки одиночных свай существенно ниже осадок сооружений на ленточных свайных фундаментах при одних и тех же грунтовых условиях.

Работы по исследованию осадок свайных кустов, проведенные учеными показали, что осадка свайных кустов зависит от расстояния между сваями.

А.А. Луга в своих работах предлагает представить свайный фундамент условным сплошным массивом на естественном основании. Контур сплошного массива, который включает в себя и грунт и сваи, определяется следующим образом: сверху контур ограничивается плитой ростверка, с боков - наклонными плоскостями от боковой поверхности крайних свай под углом в = ф/4 (ф - средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунта) к вертикали; снизу - плоскостью, которая ограничивается пересечением

наклонных граней массива с горизонтальной плоскостью. Нижним ограничением контура является уровень нижних концов свай (рис.4.1).

Рис. 4.1 Схема передачи нагрузки на грунт по данным А.А. Луга В данном методе силы трения по боковой поверхности свай заменяются углом внутреннего трения. Эта замена является условной. Вышеописанный метод нашёл свое применение в практических работах и впоследствии был включен в СП.

Проф. А.А. Луга разработал метод расчета осадок свайного фундамента. Данный метод применяется только при условии опирания свай на песчаные

грунты:

где

^ = - ^

4.1

£од - осадка одиночной сваи, которую можно принять по графикам в зависимости от величины нагрузки, размера сваи, глубины погружения; £ - осадка свайного фундамента, которую находим по формуле:

±РЛ

S = -1--4.2

гр E

пр

Pzi - сумма вертикальных нормальных напряжений, которые возникают на верхней границе слоя грунта;

h - толщина слоя грунта, расположение которого ограничено сжимаемой толщей;

Е - приведенный модуль деформации грунтов в пределах сжимаемой толщи.

Метод расчета осадок свайных кустов, учитывающий глубину приложения нагрузки под руководством Н.А. Цытовича и Н.М. Дорошкевич [19] разработал В.В. Знаменский.

Формула для расчета осадок свайных кустов имеет вид:

Pb

S = — K 43

г-. ■

Е

где

P - передаваемая нагрузка на грунт, кПа;

b - ширина условной подошвы свайного фундамента, м;

Eo - модуль общей деформации грунта, кПа;

K0 - безразмерный коэффициент, который зависит от отношения ширины подошвы к длине свай. Боковое расширение грунта также влияет на данный коэффициент.

Изменение модуля деформации, а также возможность учета мощности активной зоны под острием свай реализованы в данном методе. Это позволило методу получить широкое практическое применение.

4.2 Решение поставленной задачи в линейной постановке

Сложное и неоднородное напряженно-деформированное состояние проявляется при работе свай большой длины в составе свайно-плитного фундамента. Формирование напряженно-деформированного состояния существенно зависит от длины, шага и диаметра сваи (рис. 4.2) [56]. Количественная оценка напряженно-деформированного состояния системы ростверк-свая-грунтовый массив существенно усложняется при увеличении количества свай. Внешняя нагрузка от строящегося здания перераспределяется между сваями и ростверком по определённым зависимостям. Эти закономерности позволяют определить осадку свайно-плитного фундамента.

| Л |

/ / / / /'/ / // // //

Рис. 4.2. Схема для выделения расчетной ячейки свайно-плитного

фундамента

Расчетная схема представляет секцию свайно-плитного фундамента заданных размеров. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние секции, полагая, что взаимодействие между секциями отсутствует.

Модуль упругости ростверка и сваи значительно превышает жесткость грунта:

Е >> Е , Е >> Е 4.4

рост гр. 5 св. гр.

Стоит отметить, что отсутствует проскальзывание между сваями и грунтом. При нагружении внешней нагрузкой под ростверком и под нижним концом сваи возникают реактивные напряжения, а на боковой поверхности силы трения, которые необходимо определить (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Расчетная схема для определения НДС ячейки Начало координат поставим в уровень пяты сваи и направим ось ъ вверх. На стволе сваи выделим элементарный слой высотой dz. Показан штриховкой на рис. 4.3. Нормальные напряжения ог в данном элементарном слое возникают при приложении распределенной нагрузки р (кПа) на расчетную ячейку. На боковой поверхности сваи возникают касательные напряжения т(г). Исходя из этого можно записать условие равновесия элементарного слоя сваи длиной dz:

2лат(г) • dz=ла2 • daz, 4.5

Отсюда получаем:

de 2 , л

=-ф), 4.6 dz a

Закон изменения касательных напряжений в зависимости от глубины принимаем согласно [16] в виде:

r(z) = v ea, 4.7 Подставляя (4.7) в (4.6) получаем:

с = Т-J eazdz= -Т • + C, 4.8 a aa

Константу С находим из граничных условий на уровне пяты сваи. При z = О с(0) = p, где p - давление под подошвой сваи (рис. 4.3). Окончательно получаем:

2т 2т

az=-20 • e~a'z + p + 20, 4.9 z aa aa

С помощью полученного выражения определим осадку сваи.

Sc (z) = \Czdz • ea + p — + 2То • — + C, 4.10 E aa E E aa E

с с с

где Ес - модуль упругости ствола сваи.

Постоянную интегрирования С1 находим из условия 7 = 0. Осадка сваи равна

осадке круглого штампа. В таком случае получаем окончательное выражение для

нахождения осадки сваи в зависимости от глубины

о / \ 2т0 -аг г 2т0 г т(\-к)• К 2т0 . лл (г) = —• е аг + р — + —0--+ р—Ь-и---, 4.11

аа Е Е аа Е аа Е

с с с 2 с

где У2 и G - деформационные параметры грунта под нижним концом сваи; K < 1 -коэффициент, учитывающий глубину приложения нагрузки на пяту сваи.

Граничные условия для рассматриваемой ячейки отличаются от условий, рассматриваемых для одиночной сваи. Примем для ячейки свободное вертикальное перемещение, а на дне ячейки полное отсутствие перемещений.

В таком случае закон распределения касательных напряжений t(z, r) меняются по радиусу r следующим образом [72]:

т(г) = та - (Ь - г) /(Ь - а)2, 4.12

где та - касательные напряжения на контуре сваи; а < г < Ь, т(а) = та, т(Ь) = 0.

Сдвиговую деформацию элементарного слоя грунта вокруг сваи можно определить по следующей зависимости:

dS ( ч т(г)

— = у(г) = , 4.13

dг

где 5 и Gl - осадка и модуль сдвига окружающего грунта соответственно. Подставляя т(г) из (4.12) в (4.13) получаем:

\3

Т-) (ь - г)2 =_(_) (Ь - г)3

0 (Ь - а)2 ( ) 30 - (Ь - а)2

S(z,г) = - =т(-)\2 + С. 4.14

Константу С2 найдем при г = Ь, т.е. S(Ь, г) = S

1 - -V ¿У

- изменение на границе

ячейки принято линейным (рис. 4.3).

Осадка столба грунта высотой I от действия распределенной нагрузки р под ростверком:

S = р1 'Р'1, 4.15

р Е

где

Е =-Р-. 4.16

I/Е + (Р -1)/Е2

Тогда максимальная осадка на поверхности сваи:

S (-) = т(-) ^

(Ь - а) ■ С (1 -

V Ь;

4.17

В соответствии с расчетной схемой (рис. 4.3) имеется четыре неизвестных компонент НДС: р, р2, р, т0. Для определения неизвестных потребуется четыре уравнения.

Исходя из равновесия всей ячейки запишем:

лЬ2р = ла2р + л(Ь2 - а2 )р, 4.18

где р - приложенная нагрузка на ячейку.

Условие равновесия сваи:

ж2 р =т2 р + 2ш{г(7)^,

4.19

При условии, что т2=т0 -еа и после интегрирования получаем:

7а р = 7а р - 2ж - а -г,

(в-а1 -1) • п • Т -ь-

4.20

а

Следующим условием является равенство осадок грунта (4.17) и сваи (4.11) на

уровне пяты сваи (7 = 0):

тп

(Ь - а) .о + ^

Г 1\

V Ь У

Ь

= Рз

7а(1 -г2)- К

4а

4.21

Последним уравнением примем условие равенства осадок грунта (4.17) и сваи

(4.11) в уровне оголовка сваи (7 = /):

тп

е-а 1 (Ь - а) _ 2То1 Рз/ 2т{

за " " " "

ЬЛ =—— + — + —еа + р3 р ааЕ Е аа Е

с с с

ш(1-У2 )-К 2г0

. 4.22

4а аа2Е

2 с

Полученные выше четыре уравнения, объединенные в систему уравнений, позволят найти неизвестные компоненты НДС:

лЬ2р = 7а2р + ж(Ь2 - а2)р

7а р =ла р -2л- а- т{

(е а - 1 -1)

т -(¿-а)+Л т° за + Лр

г /Л

1 - -V Ьу

а

_ 7а(1 -г2)- К

= р

.4.23

4а

е~а 1 (Ь - а) + 5 _ 2т,1 ^ръ1 ^ 2т(

3а

+

0 г,-а-1

ааЕ Е аа Е

е - - + рз

7а(1 -г2 )- К 2г0

с с

4а

аа2 Е

Решение системы уравнений можно получить с помощью программного комплекса МаШсаё.

Осадку свайно-плитного фундамента определим по формуле:

Л =

р-Д^Ь

Е

1--V Ьу

(р2 - рз)-Рс-1 „ 7а(1-^2)-К

Е

р3

4а

4.24

где Д - коэффициент невозможности бокового расширения грунта, Д -коэффициент невозможности бокового расширения материала сваи.

Полученное решение можно использовать для определения приведенного модуля деформации массива грунта с учетом устройства свай приравнивая осадку ростверка и осадку рассматриваемой системы. Также появляется возможность определения коэффициента пастели для решения практических инженерных задач.

Решение поставленной задачи было также получено численным методом конечных элементов с помощью программы Plaxis 3D, которая предназначена, в том числе, для количественной оценки НДС массивов грунта.

Ниже приведены результаты определения осадки сваи по (4.24) и численным методом, при:

а = 0.5м; Ь = 2.0м; I = 30м; Ь = 40м; Е = 30МПа; Е = 40МПа.

Нагрузка р. кПа

50 100 150 200 250 300 350

0 10 20 30

2 40

$ 50

I

о

О 60 70 80 90 100

-о— Аналитическое решение - Численное решение

\

Рис. 4.4 Графики зависимости осадки от нагрузки, рассчитанный аналитическим и численным методами

Рис. 4.5 Графики касательных напряжений, рассчитанный аналитическим

методом при р = 300 кПа

[*10"3 т] 16,00

15,00

14,00

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

[Ж/т*] 300,00

200,00

100,00

0,00

-100,00

-200,00

-300,00

^00,00

-500,00

-600,00

-700,00

-800,00

-900,00

-1000,00

-1100,00

00

-1700,00

[*10-3 ш] 32,00

30,00

28,00

26,00

24,00

22,00

20,00

18,00

16,00

14,00

12,00

10,00

8,00

6,00

4,00

2,00

0,00

[Ж/т*] 600,00

400,00

200,00

0,00

-200,00

-400,00

-600,00

-800,00 -1000,00 -1200,00 -1400,00 -1600,00 -1800,00 -2000,00 -2200,00 -2400,00 -2600,00 -2800,00 -3000,00 -3200,00 -3400,00

СЧ 00

[*10-з ш] 2,50

[кЫ/т*] 1200,00

0,00 -2,50 -5,00 -7,50 -10,00 -12,50 -15,00 -17,50 -20,00 -22,50 -25,00 -27,50 -30,00 -32,50 -35,00 -37,50 -40,00 -42,50 -45,00 -47,50

800,00

400,00

0,00

-400,00

-800,00

:-1200,00

-1600,00

-2000,00

-2400,00

-2800,00

-3200,00

-3600,00

-4000,00

-4400,00

4800,00

СП 00

[*10"3 гл] 4,00

0,00

-4,00

-8,00

-12,00

-16,00

-20,00

-24,00

-28,00

-32,00

-36,00

-40,00

-44,00

-48,00

-52,00

-56,00

-60,00

-64,00

1200,00

-2400,00

00

[*10"3 т] 4,00

0,00

4,00

-8,00

-12,00

-16,00

-20,00

-24,00 -28,00 -32,00 -36,00 -40,00 -44,00 48,00 -52,00 -56,00 -60,00 -64,00 -68,00 -72,00 -76,00 -80,00

[кИ/т*] 1500,00

1000,00

500,00

0,00

-500,00

| -1000,00

-1500,00

-2000,00 -2500,00 -3000,00 -3500,00 -4000,00 -4500,00

1Г)

оо

к J

[*10-3 ш] 5,00

0,00

-5,00 -10,00 -15,00 -20,00 -25,00 -30,00 -35,00 ^0,00 -45,00 -50,00 -55,00 -60,00 -65,00 -70,00 -75,00 -80,00 -85,00 -90,00 -95,00

["103 кМ/т2] 2,00

1,00

0,00

-1,00

-2,00

-3.00

-4,00

-5.00

-6,00

-7,00

-8,00

-9,00

-10,00

00

4.3 Выводы по главе 4

1. Нагрузка на ростверк распределяется между оголовком сваи, ее нижним концом и трением на боковой поверхности.

2. Сравнительная оценка результатов решений, полученных аналитическим и численным методами показала достаточную для инженерной практики сходимость. Полученные решения можно использовать для предварительного определения осадки свай в составе плитно-свайного фундамента.

3. Результаты решения задачи о взаимодействии сваи в составе свайно-плитного фундамента с массивом грунта позволяет находить не только осадку фундамента. Но и напряжения на различных уровнях сваи и под ростверком. Касательные напряжения в грунте изменяются в зависимости от глубины нелинейно.

4. Действующие усилия на оголовок сваи распределяется на боковую поверхность (трение) и на острие. Со временем это распределение трансформируется, и все большая нагрузка приходит к острию сваи. Это может привести к потере ее несущей способности.

Глава 5. НДС насыпных грунтов, армированных грунтовыми сваями в составе свайно-плитных фундаментов

5.1 Технология изготовления грунтовой сваи в насыпных грунтах и ее экспериментально-теоретическое обоснование

При наличии в основании проектируемого сооружения большой толщи насыпных грунтов существенно осложняется его строительство в части устройства фундаментов.

В соответствии с требованиями нормативных документов СП 22.13330.2011 [51] (п.6.4.23), при сложении основания органоминеральными отложениями рекомендуется проводить уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой насыпным (намывным) грунтом или другим материалом, как правило устраивается фильтрующий слой или дрены для ускорения процесса консолидации основания. В п. 6.4.24 указано, что «В зависимости от типа основания, степени заторфованности, глубины залегания и толщины органоминеральных и органических грунтов, а также конструктивных особенностей проектируемого сооружения и предъявляемых к нему эксплуатационных требований рекомендуются следующие варианты специальных мероприятий: уплотнение основания временной или постоянной нагрузкой, в том числе с устройством вертикальных дрен и дренажных прорезей - для оснований I и II типов...». Так как насыпные грунты обладают высокой сжимаемостью, то эти рекомендации подходят и для этого типа слабых оснований.

Согласно СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений», основными мероприятиями, которые позволяют использовать насыпные грунты в качестве основания, являются: замена песчаную подушку, поверхностное уплотнение, глубинное уплотнение грунтовыми сваями, прорезка грунтов свайными фундаментами. Проведение вышеперечисленных мероприятий позволяет увеличить несущую способность основания и

уменьшить его деформативность. Однако, следует оценивать технико-экономическую эффективность того или иного метода. Усиление основания с помощью полной замены насыпных грунтов на песчаную подушку является нецелесообразным ввиду значительной мощности насыпных грунтов и больших технико-экономических затрат при обеспечении качественного послойного уплотнения. В последнее время для усиления основания из насыпных грунтов все чаще используют метод глубинного уплотнения буронабивными грунтовыми сваями. Изготовление щебеночных свай в насыпных грунтах позволяет повысить несущую способность основания, а также уменьшить расчетные осадки сооружения.

При глубинном уплотнении насыпных грунтов используют буронабивные грунтовые сваи, которые имеют экономическую выгоду по сравнению с железобетонными сваями. Данные сваи совместно с уплотненным окружающим грунтом (ячейка) служат несущими элементами, которые способны воспринимать значительные нагрузки. В инженерной практике используют разные технологии изготовления свай из крупнозернистого и крупнообломочного грунтов. Идея глубинного уплотнения с расширением лидерной скважины лежит в основе технологии изготовления грунтовых свай. Существуют несколько технологий устройства свай, среди них: шнековая, в основу которой положено вдавливание рабочего материала в забой скважины при реверсе, что приводит к уплотнению стен лидерной скважины, а также окружающего грунта (рис. 5.1, а); уплотнение прессом, вдавливающий со значительным усилием (до 200 т) порцию материала сваи в забой лидирующей скважины (рис. 5.1 б). В результате уплотнения конечный диаметр лидерной скважины может увеличиваться в несколько раз. Последняя технология изготовления разработана АО «НИИграфит» и была уже опробована на площадке строительства энергетического объекта. Также стоит отметить, что на площадках

строительства встречаются и другие методы глубинного уплотнения: по технологии РИТ [67], а также jet технологии [30, 86], но на них останавливаться мы не будет.

а) б)

Рис. 5.1 Принципиальные схемы технологии расширения скважины

а - шнековая, б - уплотнение прессом

При полевых экспериментах на опытном участке были проведены испытания зонированием гуртовых свай и окружающего уплотненного грунта. В результате было выяснено, что модуль деформации щебеночных свай увеличился в 4-5 раз, окружающего грунта в 2-4 раза.

Щебеночные сваи устраивают исходя из следующих положений:

1. Изготовление свай проводят с послойным втрамбовыванием рабочего материала в забой лидирующей скважины со значительным вдавливающим усилием, что приводит к увеличению диаметра лидерной скважины, а также уплотнения окружающего насыпного грунта;

2. Грунтовые сваи обладают большей водопроницаемостью, чем окружающий грунт. Это позволяет их использовать в качестве свай-дрен. За счет сокращения пути фильтрации (горизонтальная фильтрация) сваи-дрены значительно ускоряют процесс консолидации;

3. После устройства щебеночных свай, а также завершения консолидации окружающего грунта, искусственное уплотненное основание представляет собой единый преобразованный массив, способный воспринимать существенные внешние нагрузки от зданий и сооружений.

После уплотнения насыпных грунтов грунтовыми сваями образуется преобразованное основание. Инженерно-геологические особенности площадки строительства, а также передаваемые нагрузки лежат в основе назначения параметров свай. Роль нагрузок, расширяющих лидерную скважину, выполняют радиальные и тангенциальные напряжения. Глубинное уплотнение обладает преимуществом перед поверхностным, в виду того, что радиальные и тангенциальные напряжения достигают 10 МПа и в несколько раз превышают напряжения при поверхностном уплотнении насыпных грунтов.

В качестве исходных данных необходимы результаты инженерно -геологических изысканий, в которых указываются значения следующих параметры: модуль деформации Е (МПа), коэффициент Пуассона V, угол внутреннего трения ф (°), удельное сцепление с (кПа), удельный вес у (кН/м3) и коэффициент пористости е (д.е.). Данные физико-механические характеристики насыпных грунтов используются для предварительного определения деформационных характеристик уплотненного основания. Для этого предварительно определяется коэффициент пористости уплотненных грунтов по закону компрессионного сжатия:

^ = е0 -(1-О(5-1)

где е - величина коэффициента пористости при действующем значении уплотнения 81; е0 - начальный коэффициент пористости.

Для насыпных грунтов, преимущественно глинистого состава также определяется значение прогнозного показателя текучести

г

1 Ь2 1Ы

е2

— W, -

1 р

е_Р

w, - w

1р

(5.2)

где 1ц - показатель текучести в естественном состоянии; 1и -прогнозный показатель текучести; е1 - коэффициент пористости в естественном состоянии; е2 - коэффициент пористости после уплотнения; w1 и ^^ - влажность в естественном состоянии и на границе пластичности соответственно.

Данная технология разработана для преобразования минеральных и органоминеральных грунтов, в которых содержание органического вещества не превышает 10%. Описываемая технология не подходит для органоминеральных и органических грунтов ввиду того, что технология преобразовывает их структуру, что в свою очередь ведет к разложению данных грунтов.

Песчаные и крупнообломочные грунты применяются в качестве материала грунтовых свай при уплотнении оснований. Деформационные характеристики материала сформированных грунтовых свай задаются проектом, в котором определяется необходимый приведенный модуль деформации уплотненного массива.

При высоком уровне грунтовых вод и возможности возникновения процесса суффозии необходимо использовать в качестве материала свай

щебеночно-песчаную смесь. Состав которой подбирается из условия предотвращения проникновения уплотняемого грунта в тело сваи.

При изготовлении свай в насыпных грунтах преимущественно глинистого состава, рекомендуется использовать щебеночно-песчаную смесь, для того, чтобы снизить скорость кольматации тела грунтовой сваи.

В настоящей работе рассматривается метод преобразования свойств насыпных грунтов с теоретическим обоснованием методом глубинного уплотнения с помощью грунтовых (щебеночных, песчаных и др.) буронабивных свай. По данной технологии материал сваи впрессовывается мощным прессом в забой лидирующей скважины.

Для устройства грунтовых свай используют буровое и вдавливающее оборудование, наиболее распространенное для региона строительства. С помощью вдавливающего оборудования изготавливают лидерную скважину на глубину, предусмотренную проектной документацией и не извлекают до подачи через рабочую штангу материала сваи [60]. При этом возникает первоначальное уплотнение скважины. После извлечения рабочего органа вдавливающей установки на величину первого подъема, скважина заполняется рабочим материалом (щебнем, песком). После повторного вдавливания оборудования происходит втрамбовывание рабочего материала в стенки лидирующей скважины, таким образом скважина расширяется, окружающий грунт уплотняется (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Схема вдавливания рабочего материала

Степень уплотнения насыпных грунтов и значение приведенного модуля искусственного основания зависит от длины, шага щебёночных свай в плане и диаметра лидерной скважины. Для предварительной длины грунтовых свай принимают глубину сжимаемой толщи, определенной по методике СП 22.13330.2011 [51]. Если граница сжимаемой толщи находится в грунтах с модулем деформации менее 10 МПа, то подбор длины щебеночной сваи выполняется на всю глубину насыпных грунтов. При неравномерном залегании насыпных грунтов длина свай назначается из условия заглубления щебеночной сваи в плотные грунты минимум на 0,5 м.

По результатам расчета подбирается шаг свай. Т.к. изготовление грунтовых свай оказывает значительное влияние на грунтовый массив, рекомендуется назначать расстояние между сваями не более 3-х диаметров инструмента. На рис. 5.3 показано типовое расположение грунтовых свай.

Рис. 5.3 Схема шахматного расположения свай

Плановое расположение свай может быть в шахматном порядке и по прямоугольной сетке. Равномерная расстановка свай обеспечивает получение одинаковых свойств уплотненного основания по всей площади строительства. Рекомендуется две принципиальные схемы расположения свай.

1. Щебеночные сваи располагаются в вершинах шестиугольника (рис. 5-4);

2. Щебеночные сваи выполняются в два этапа. На первом устраиваются сваи по вершинам шестиугольник, на втором этапе устраиваются внутренние сваи на пересечении медиан (рис. 5.5).

Рис. 5.4 Типовое расположение грунтовых свай с указанием последовательности их устройства

Рис. 5.5 Типовое расположение грунтовых свай с указанием последовательности их устройства (сваи №№ 8-13 устраиваются на втором

этапе)

С точки зрения технологии устройства первый вариант более простой, однако второй вариант обеспечивает более эффективное уплотнение насыпных грунтов. В процессе производства работ схема устройства грунтовых свай может быть откорректирована после обработки данных погружения первых свай. Окончательное решение принимается в проектной документации исходя из проектных нагрузок и инженерно-геологических особенностей площадки строительства. При изготовлении свай рекомендуется формировать зону уплотненного грунта в уровне подошвы сваи, это приведет к увеличению прочности и устойчивости грунтовой колонны.

В процессе производства работу по изготовлению грунтовых свай усилие, которые используется для вдавливания рабочего органа меняется в зависимости от расположения уже устроенных свай. Это связано с изменением напряженно-деформированного состояния вокруг уплотненных свай.

Величина требуемого расширения лидерной скважины зависит от деформационных характеристик, которых необходимо добиться при устройстве искусственного основания. Исходя из этого определяется необходимая деформация, которая позволяет достичь проектных характеристик искусственного основания. Имея модуль деформации и коэффициент пористости насыпного грунта необходимо задать значение модуля деформации преобразованного основания и в первом приближении принять необходимый коэффициент пористости. Необходимую деформацию ствола сваи можно определить исходя из разницы коэффициентов пористости. В таком случае, задаются величиной расширения лидерной скважины, проверяя при этом достижения проектного модуля деформации грунтовой сваи в соответствии с формулой определения приведенного модуля деформации уплотненного основания.