Обоснование строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Синицын, Анатолий Олегович

• Синицын, Анатолий Олегович
• кандидат технических наук
• 2011

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах»

Определения и пояснения.11

Условные обозначения.12

глава 1. проблемы при строительстве свайных фундаментов зданий и сооружений в условиях мерзлых засоленных грунтов.14

1.1. основные типы сооружений на свайных фундаментах на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей.14

1.2. Грунты побережий и шельфовых зон Арктических морей.14

1.3. Строительство свайных фундаментов в условиях пластично-мерзлых грунтов.16

1.3.1. Производство сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых грунтов.16

1.3.1.1. Общие сведения.16

1.3.1.2. Опьп производства сваебойных работ для устройства фундаментов на пластично-мерзлых грунтах. 17

1.3.1.3. Рекомендации по производству сваебойных работ на основаниях пластично-мерзлых фунтов.18

1.3.1.4. Методики расчета характеристик процесса погружения свай в пластично-мерзлые фунты.18

1.3.1.5. Натурные исследования для производства сваебойных работ в основаниях пластично-мерзлых грунтов.20

1.3.2. Расчет свайных оснований в условиях пластично-мерзлых грунтов.21

1.4. физические и механические свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов.22

1.4.1. Физические свойства мерзлых грунтов.22

1.4.2. Основные представления о механических характеристиках мерзлых грунтов.23

1.4.2. Изученность предельно-длительных механических характеристик мерзлых засоленных грунтов .23

1.4.3. Изученность условно-мгновенных механическгсх характеристик мерзлых грунтов.25

1.5. ПОСГАНОВКА целей.27

глава 2. методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые грунты при строительстве свайных фундаментов.28

2.1. основные положения метода.28

2.2. Методы определения параметров для расчетов свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах.32

2.2.1. Метод вдавливания сферического штампа.32

2.2.2. Метод трехосного сжатия с постоянной скоростью деформирования.37

глава 3. свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов.39

3.1. Порядок подготовки образцов для испытаний.39

3.1.1. Отбор грунта.39

3.1.2. Подготовка массивов.40

3.1.3. Подготовка цилиндрических образцов.41

3.1.4. Физические свойства образцов.42

3.1.4.1, Определение основных физических свойств.42

3.1.4.2. Методика определения температуры начала замерзания.42

3.1.4.3. Методика определения содержания лсгкорастворимых солей.44

3.1.4.4. Результаты определения физических свойств грунтов.44

3.2. Оборудование для проведения испытаний.46

3.2.1. Характеристика лабораторного оборудования.46

3.2.2. Характеристика сферического штампа.47

3.2.3. Характеристика камеры трехосного сжатия.48

3.3. Характеристики и результаты испытаний.50

3.3.1. Вдавливание сферического штампа в массив грунта основания (супесь «Серии 1»).50

3.3.1.1. Проведение испытаний.50

3.3.1.2. Характеристики испытаний.52

3.3.1.3. Особенности обработки опытных данных для определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления.52

3.3.1.4. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.55

3.3.1.5. Результагы определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований.„.56

3.3.1.6. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований.58

3.3.2. Вдавливание сферического штампа в цилиндрические образцы грунтов оснований (супесь и суглинок «Серии 3»).61

3.3.2.1. Проведение, характеристики испытаний.61

3.3.2.2. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых грунтов оснований.62

3.3.2.3. Результаты определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых грунтов оснований.64

3.3.2.4. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых грунтов оснований.65

3.3.3. Анализ результатов, полученных методом вдавливания сферического штампа в пластично-мерзлые и охлажденные грунты оснований.68

3.3.4. Трехосное сжатие образг\ов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований.70

3.3.3.1. Проведение испытаний.70

3.3.3.2. Результаты трехосного сжатия образцов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований.71

3.3.3.3. Анализ результатов, полученных методом трехосного сжатия.75

глава 4. определение усилий вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах.80

4.1. Влияние скорости внедрения сваи на усилие вдавливания в пластично-мерзлых грунтах оснований.80

4.2. Влияние геометрических размеров сваи на усилие вдавливания при строительстве свайных фундаментов.84

4.3. Влияние изменчивости механических характеристик грунтов в диапазоне температур начала замерзания на усилие вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов.85 выводы.88

Список литературы Приложение I Приложение 2

Введение

Актуальность исследований. С каждым днем Арктика занимает все большее место в жизни человечества. С арктическими территориями связано много* надежд - это попытки понять явления глобального потепления, разработать обширные месторождения полезных ископаемых, шире использовать транспортные коридоры.

Для решения этих задач требуется строительство и реконструкция различных сооружений, в том числе гидротехнических, на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей, которые характеризуются сплошным распространением отрицательно температурных засоленных осадочных толщ. Прибрежные зоны, как правило, сложены грунтами в пластично-мерзлом и даже охлажденном состоянии (Аксенов, 2008). При строительстве сооружений в Арктике широко применяются сваи. Для обоснования строительства свайных фундаментов в условиях мерзлых засоленных грунтов требуется эффективное производство сваебойных работ и правильная оценка несущей способности грунтов оснований.

Опыт сваебойных работ на территории России, США и Канады свидетельствует о принципиальной возможности устройства свайных фундаментов способом забивки в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов (Цытович, 1973; Weaver, 1979; Гончаров, Таргулян, 1980; Сгогу, 1982; Nottingham, 1983). Забивка может быть реализована с помощью метода погружения свай вдавливанием. Однако в литературе практически отсутствуют теоретические разработки и количественные характеристики процесса погружения свай в мерзлые грунты, поэтому требуется разработка методики для расчета процесса погружения свай.

Известно (Цытович, 1973), что сваи, погруженные способом забивки в пластично-мерзлый грунт обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью, рассчитанной по нормативным документам для этого же вида грунта. Однако, до настоящего времени, как в отечественной, так в зарубежной литературе, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики грунтов при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги. Так в СНиП 2.02.04-88 сопротивление сдвигу по поверхности смерзания приведено для отрицательной температуры ниже -0,3°С. Остается проблемным вопрос о назначении расчетных прочностных характеристик при более высокой температуре.

Проблемы производства сваебойных работ и определения несущей способности свай в условиях мерзлых засоленных грунтов определяют актуальность цели диссертации, которой являлось обоснование строительства свайных фундаментов, в том числе морских гидротехнических сооружений, в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, для этого требовалось:

1) создание методики определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, экспериментальное определение параметров для расчетов;

2) экспериментальное определение физико-механических характеристик мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений, необходимых для расчетов несущей способности свайных фундаментов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов подбора оборудования для погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Выполнить анализ достаточности информации о свойствах грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Разработать и обосновать методику определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, обосновать параметры, необходимые для расчетной методики.

4. Разработать программу экспериментальных исследований для получения недостающих физико-механических параметров грунтов.

5. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования грунтов и установить требуемые для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах физико-механические характеристики.

6. Произвести, расчеты оснований в соответствии с предложенной методикой и выявить основные факторы, влияющие на процесс погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

7. Для расчета несущей способности оснований на основе экспериментальных данных получить длительные значения деформационно-прочностных характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов. Научная новизна работы

1. Предложено обоснование строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах на основе методики расчета усилий при погружении свай и данных для оценки несущей способности грунтов.

2. Впервые определено существенное влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, и даны рекомендации по оптимизации технологии задавливания свай при строительстве фундаментов.

3. Для обоснованрш и оптимизации производства работ при строительстве свайных фундаментов впервые на оригинальном оборудовании проведены исследования пластично-мерзлых и охлажденных грунтов в условиях трехосного сжатия с высокой скоростью деформирования.

4. На уникальном оборудовании проведены исследования мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений методом вдавливания шарикового штампа.

5. Исследована несущая способность оснований, представленных пластично-мерзлыми и охлажденными грунтами в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей.

Достоверность результатов расчетов усилий для- погружения свай вдавливанием обеспечивается использованием стандартного приема сложения динамического лобового сопротивления свай и сопротивления трению - по боковой поверхности. При этом предполагается, что лобовое сопротивление оказывает мерзлый грунт, а боковое происходит по талому грунту. При определении динамического лобового сопротивления использовались стандартные методики и формула СНиП 2.02.04-88. Определение свойств грунтов, необходимых для расчета несущей способности свай проведено по стандартизированным методикам, рекомендованным СНиП 2.02.04-88 и изложенным в ГОСТ и ГОСТ 1224896. Полученные результаты обработки опытов не противоречат интерполяции известных значений в исследованную область температур и засоленностей.

Практическая значимость работы

1. Для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах разработана методика расчета погружения свай методом вдавливания.

2. Для предложенной методики получены расчетные характеристики мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Проведенные исследования трехосного сжатия позволяют оптимизировать производство сваебойных работ и создают основу для разработки математической модели деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

4. Для обоснования возведения свайных фундаментов расширена область оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей по сравнению со СНиП 2.02.04-88 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Личный вклад автора

1. Впервые проведен сбор, детальный анализ и обобщение основных российских и зарубежных литературных данных и авторских рекомендаций о производстве сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов и систематизация механических свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

2. Автором лично разработана методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, выявлены параметры грунтов, необходимые для обоснования строительства свайных фундаментов.

3. В ходе выполнения диссертационной работы автор усовершенствовал методики подготовки и испытаний образцов с использованием оригинального оборудования, получил требуемые деформационно-прочностные параметры пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.

4. Автором сформулированы и обоснованы предложения по оптимизации процесса погружения свай для строительства фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

Апробация работы

Основные защищаемые положения диссертации апробированы на XXXVI, XXXVII, XXXVIII Неделях науки СПбГПУ: Материалы Всероссийских межвузовских научно-технических конференций студентов и аспирантов, г. Санкт-Петербург (2007, 2008, 2009), тезисы докладов отмечены дипломами конференций; на 9-ой Международной конференции и выставке по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ RAO/CIS Offshore 2009 г. Санкт-Петербург (2009) статья доклада «Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей» отмечена дипломом конференции; на 5-ой Норвежско-российской арктической шельфовой конференции «Совместные исследования и инновации для нефтегазовой промышленности в Арктике», г. Мурманск (2010).

Основные результаты-диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в трех по перечню ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех-глав, выводов,,двух приложений и списка литературы, содержащего Г12 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков, 24 таблицы и 24 формулы.

Защищаемые положения:

1. Методика определения усилий для вдавливания свай при строительстве фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Обоснование факторов, влияющих на сопротивление грунта, напряжения в свае и мощность сваебойного оборудования при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Экспериментальные данные для оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов и их математического моделирования в области значительных фазовых превращений, требуемые в предложенной методике.

4. Оценка длительных деформационно-прочностных ' свойств, необходимых для определения несущей способности оснований, сложенных пластично-мерзлыми и охлажденных грунтами, в диапазонах температур и засоленностей, не охваченных СНиП 2.02.04-88 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору кафедры «Гидротехническое строительство» инженерно-строительного факультета СПбГПУ Карлу Натановичу Шхинеку за руководство и помощь в выполнении данной работы; доктору, профессору морских Арктических технологий NTNU/UNIS Свейнунгу Лосету; зав. лаб. «Инженерная геология» ВНИИГ им. Веденеева, к.г.-м.н. Н.Ф. Кривоноговой; д.ф.-м.н., профессору UNIS/NTNU A.B. Марченко, д.т.н., профессору в области механики льда и морских технологий NTNU К. Хойланду; д.т.н., профессору СПбГПУ A.JI.

Гольдину; профессору NTNU JI.O. Гранде; заведующей библиотекой UNIS Берит Якобсен, магистру СПбГПУ М. Юровой за неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры «Гидротехническое строительство» и кафедры «Основания и фундаменты, подземные сооружения» Инженерно-строительного факультета СПбГПУ, всем сотрудникам UNIS за внимание к работе и критические замечания.

Определения и пояснения

Больверк - тонкая подпорная стенка;

Длительная прочность — прочность, снижающаяся во времени от мгновенного до предельно-длительного значения, при длительном воздействии нагрузок;

Кривая ползучести - зависимость прочности от времени;

Мерзлый грунт - грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своем составе лед;

МГТС - морские гидротехнические сооружения;

ММП - многолетнемерзлые породы;

Область значительных фазовых превращений - область отрицательной температуры, изменение количества незамерзшей воды Ww в которой на 1°С составляет 1% и более (по отношению к весу высушенного грунта); Охлажденный грунт - грунт, имеющий относительную температуру в диапазоне 1-1,33;

Пластично-мерзлый грунт - грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью, и имеющий относительную температуру в диапазоне 1,33 - 1,5;

Ползучесть - процесс развития деформаций во времени даже при постоянной нагрузке;

Релаксация - снижение напряжения в грунте до величины, необходимой для поддержания постоянной деформации;

Реологическая кривая - зависимость скорости деформации от напряжения; CMC - сезонномерзлый слой;

Условные обозначения а - радиус сваи;

А — площадь опирания сваи на грунт;

4г/,г - площадь поверхности смерзания /-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи; С - сцепление; с {t) - эквивалентное сцепление за период времени t; ceq(,mt) ~ условно-мгновенное эквивалентное сцепление; с (св) - предельно-длительное эквивалентное сцепление;

D - диаметр сферического штампа; Е - модуль деформации;

Edm - полезная работа снаряда при погружении сваи на любую глубину; Egr — работа сил сопротивления грунта внедрению сваи; Еы — общий модуль деформации; F - площадь поперечного сечения сваи; Fu - несущая способность основания; fDl - динамическое удельное сопротивление по боковой поверхности для г'-го слоя; h - глубина заложения подошвы фундамента; к — коэффициент, учитывающий комплексное влияние факторов (различие молотов, несовершенство определения характеристик грунта и др.); /, — глубина /-го слоя. nt — число ударов молота для пробивки /-го слоя грунта; Nj— число ударов, необходимое для пробивки разнородных слоев грунта; Ршт - усилие, необходимое для погружения сваи на заданную глубину /; Pi - динамическое сопротивление /-го слоя грунта;

Pti — динамическое лобовое сопротивление для /-го слоя; Psi - сопротивление по боковой поверхности для /-го слоя; Р - постоянная нагрузка на сферический штамп; R — расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи; RDi — динамическое удельное лобовое сопротивление для i-ro слоя; г - расстояние по радиусу от центра скважины; S, - осадка штампа за период времени t ; t - время;

U - заданное перемещение на внутренней поверхности скважины; и - периметр сваи;

Wtot - суммарная влажность мерзлого грунта; скорость деформирования; - удельный вес грунта; v — коэффициент Пуассона; в— температура грунта; вь/ - температура начала замерзания грунта; в I вbf - относительная температура грунта; а - напряжение в свае от статической нагрузки; та11 - допускаемое напряжение в свае при статическом воздействии; ап - нормальное напряжение; tgç> - коэффициент внутреннего трения; р - угол внутреннего трения;

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Синицын, Анатолий Олегович

Выводы

1. Впервые был проведен сбор и детальный анализ основных российских и зарубежных литературных данных, посвященный производству сваебойных работ в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах. В результате, была показана принципиальная возможность погружения свай способом забивки (вдавливания) в такие грунты, необходимость обоснования практической реализации данного способа потребовала разработки расчетной методики.

2. Для оптимизации устройства свайных фундаментов различных, в том числе морских гидротехнических сооружений, на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, предложена методика оценки сопротивления грунтов при погружении свай методом вдавливания и значения деформационно-прочностных параметров мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Исследования показали, что основными параметрами для расчета погружения свай методом вдавливания на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах являются значение модуля1 упругости и его изменение в зависимости от времени, условно-мгновенное сцепление, геометрические размеры сваи и отношение диаметра сваи к диаметру лидерной скважины.

4. Для определения оптимальных режимов работы сваебойного оборудования проанализировано влияние скорости деформирования на механические свойства пластично-мерзлых грунтов. Выявлено, что увеличение скорости деформирования приводит к значительному росту сопротивления грунта, напряжений в свае и мощности требуемого сваебойного оборудования.

5. Для обоснования строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах определены необходимые деформационно-прочностные параметры данных грунтов, которые требуются для подбора технологического оборудования и расчета несущей способности свайных фундаментов.

6. Расширена область оценки деформационно-прочностных свойств пластично-мерзлых и охлажденных грунтов по сравнению со СНиП 2.02.0488 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.