Повышение несущей способности слабых оснований дорожных насыпей сваями-дренами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Чан Куок Дат

• Чан Куок Дат
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Куок Дат

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Актуальность обеспечения стабильности дорожных насыпей на слабых грунтах.

1.1.1. Проблемы строительства дорожных насыпей на слабых грунтах в России и других странах.

1.1.2. Коротко о развитии экономики Вьетнама.

1.1.3. Геологические условия равнин Вьетнама.

1.1.4. Некоторые особенности дорожного строительства на слабых основаниях во Вьетнаме.

1.1.5. Актуальность обеспечения стабильности насыпей в условиях Вьетнама.

1.2. Основные задачи, возникающие при использовании слабых грунтов в качестве оснований насыпей.

1.3. Краткая инженерно-геологическая характеристика основных представителей слабых грунтов на Севере Вьетнама.

1.4. Основные проблемы сооружений дорожных насыпей на слабых фунтах

1.4.1. Обеспечение устойчивости слабых оснований насыпей.

1.4.2. Длительность осадки (прогноз осадки во времени).

1.5. Конструкции и методы ускорения консолидации и увеличения прочности оснований.

1.5.1. Общие требования к дорожной конструкции.

1.5.2. Конструкция земляного полотна выше поверхности слабой толщи.

1.5.3. Свайные основания.

1.5.4. Основания с вертикальными дренами.

1.6. Анализ работы свай-дрен в основаниях насыпей и задачи исследований.

ГЛАВА П МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ) И ПРОГРАММА "PLAXIS" КАК ОСНОВА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) ОСНОВАНИЙ

СООРУЖЕНИЙ

2.1. Теоретические основы метода конечных элементов (МКЭ).

2.1.1. [Кс]: Матрица жесткости системы элементов скелета.

2.1.2. Плоские элементы метода МКЭ.

2.1.3. {8c(t)}: Вектор узловых перемещений системы элементов.

2.1.4. [Сс].

2.1.5. {pc(t)} : Вектор поровых давлений системы элементов.

2.1.6. {F0} : Вектор заданных сил (внешних сил).

2.2. Последовательность операций при использовании МКЭ1.

2.3. Особенности применения программы "PLAXIS" для описания НДС слабых оснований.

2.3.1. Назначение и возможности пакета программ.

2.3.2. Общие вопросы моделирования и метод разработки Plaxis.

2.3.3. Ввода.

2.3.4. Расчёты.

2.3.5. Полученные результаты.:.

ГЛАВА HI РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ С УЧЁТОМ ГРУНТОВЫХ СВАЙ-ДРЕН.

3.1. Исходные предпосылки и допущения.

3.2. Особенности НДС слабого элемента с одиночной песчаной сваей

3.3. Особенности НДС элемента слабого грунта с двумя песчаными сваями.

3.3.1. Рассмотрим зависимость НДС от сближения свай.

3.3.2. Влияние сдвиговой прочности песчаной сваи (срп).

3.3.3. Влияние и роль деформационной характеристики песка (модуль деформации песчаной сваи Еп).

-43.4. Особенности НДС элемента грунта при его вертикальной и горизонтальной неоднородности

3.5. Теоретический прогноз повышения несущей способности слабого основания.

Краткие выводы.

ГЛАВА IV СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Анализ результатов исследований А.Г. Полуновского.

4.2. Анализ результатов исследований А.С.Мохаммеда на физических моделях слабых оснований.

4.3. Рекомендации по применению грунтовых свай-дрен в целях усиления несущей способности слабых оснований дорожных насыпей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение несущей способности слабых оснований дорожных насыпей сваями-дренами»

Актуальность темы. При строительстве автомобильных в ряде случаев возникает необходимость увеличения несущей способности слабых оснований дорожных насыпей. Для этих целей весьма эффективной оказалась использование конструкции из вертикальных песчаных свай-дрен, которые не только ускоряют процессы консолидации слабых грунтов основания, но изменяя условия работы грунта в слабом основании инженерных сооружений способствуют уменьшению величины их конечных осадок. Ранее проведенные исследования по изучению поведения насыпей с дренами и без дрен на слабых торфяных основаниях показало, что присутствие дрен позволяет увеличить предельную высоту насыпи с 2,5 до 6,5м.

Это явление в настоящее время объясняется проявлением «свайного» эффекта, возникающего в слабом основании при наличии песчаных дрен и позволяющему дополнительно рассматривать эту конструкцию как обладающей дополнительной несущей способностью, а сами вертикальные дрены уже как грунтовые сваи-дрены.

Проблема увеличения несущей способности слабых оснований с помощью грунтовых свай-дрен приобретает самостоятельное звучание и особую актуальность в случаях реконструкции участков автомобильных дорог, расположенных на слабых основаниях, когда требуется повысить капитальность дорожных одежд, а следовательно и жесткость дорожной конструкции в целом. Как правило, к этому моменту процессы консолидации слабых грунтов в основании насыпей уже завершились и применение вертикальных грунтовых свай-дрен направлено только на увеличение общего модуля деформации основание за счет проявление свайного, а не дренажного, эффекта этой конструкции.

В этой связи целью диссертационной работы является разработка теоретических и методических основ прогноза степени увеличения общей несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет устройства вертикальных • грунтовых свай-дрен и детальное изучение формирования напряжено - деформированного состояния (НДС)1 слабых оснований дорожных насыпей с учётом устройства грунтовых свай.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе выполненных теоретических исследований и моделирования слабых оснований методами численного анализа - метод конечных элементов (МКЭ):

• Установлены основные закономерности и особенности формирования. компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) слабых оснований дорожных насыпей при наличии грунтовых свай-дрен; .

• ■ выявлены закономерности, особенности и условия формирования зон. предельного; состояния толщи насыпных " , грунтов; перекрывающих свайное основание, и их взаимосвязь с геометрическими параметрами грунтовых свай; Установлена,степень влияния на равномерность накопления осадок дорожной* насыпи ее высоты, диаметра грунтовых свай-дрен и • расстояний между их осями; количественно определены минимальные высоты дорожных насыпей (или толщины слоя насыпных грунтов), при которых деформации осадою их поверхности носит равномерный характер;

• установлено, что эффективность использования, грунтовых свай в качестве мероприятия по повышению несущей способности слабых оснований; зависит от соотношения*, прочностных параметров грунта, используемого для устройства свай, грунта оснований и степени насыщения грунтовыми сваями основания.

Практическая ценность работы: состоит в дальнейшем совершенствовании методических основ проектирования дорожных конструкций, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях, позволяющих более обосновано использовать грунтовые сваи-дрены в качестве конструктивно-технолического мероприятия, напрвленного на. увеличение несущей способности земляного полотна на слабых основаниях.

Апробация работы и публикации по теме диссертации:

1. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в 2010г.

2. Чан Куок Дат. Роль грунтовых свай в повышении несущего способности слабых оснований / Чан Куок Дат // Научный транспортно-коммуникациионный Жур-л, Ханойский институт транспорта и коммуникации, Вьетнам, 2009, № 27. С.63-66.

3. Добров Э.М., Чан Куок Дат, Jle Суан Тхо. Грунтовые сваи - эффективный метод в усилении слабых оснований / Э.М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Вьетнамский мостовой и дорожный Жур-л, Научно-технические сообщество по мостам и дорогам, Министерство транспорта, Ханой, Вьетнам, 2010, № 7. С.50-54.

4. Добров Э.М., Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо. Оценка эффективности усиления слабых оснований дорожных насыпей грунтовыми сваями / Э.М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Жур-л «Транспортное строительство» М. 2010, № 7. С.9-12.

-81. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Чан Куок Дат

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненные в прошлом веке в США и России исследования по изучению работы оснований с вертикальными песчаными дренами позволили установить, что песчаные дрены могут не только значительно ускорить процессы консолидации оснований, но и значительно повысить их устойчивость, проявляя тем самым дополнительную их способность к проявлению свайного эффекта.

2. Вместе с тем настоящего времени остаются до конца не выясненными особенности формирования напряженно — деформированного состояния оснований дорожных насыпей прн наличии в них грунтовых свай-дрен и степень влияния этого фактора на эффективность конструкции, особенно в части учета ее особенностей не как дренирующей системы, а как свайной конструкции. Эта проблема для ряда регионов России и Вьетнама приобретает особую актуальность, учитывая широкую распространенность слабых покровных отложений, которые часто оказываются в основании дорожных насыпей.

3.Нами, используя метод конечных элементов (МКЭ), изучены особенности формировании напряженно — деформированного состояния (НДС) элемента грунтовой толщи слабого основания с учётом различных параметров его вертикальной неоднородности по прочностным и деформационным характеристикам, моделирующих условия работы слабого грунта и грунтовой сваи-дрены.

4. Экспериментально выявлены основные особенности НДС слабых оснований при устройстве свай-дрен и получены аналитические зависимости, позволяющие оценить степень влияния их диаметра, длины, сближения, мощности слабого слоя и его прочностных и деформационных характеристик на увеличение несущей способности основания в целом.

5. Аналитически и экспериментально установлено, что чем ближе расположены грунтовые сваи и больше их диаметр (коэффициент сближения ш» и степень насыщения слабого основания грунтом свай увеличивается), а также, чем больше разница в величинах коэффициентов и £св (и следовательно в углах внутреннего трения слабого грунта cpw и грунта сваи — фсв ), тем выше будет прогнозируемая эффективность устройства свайного основания.

6. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований по численному моделированию условий работы слоя насыпного грунта (дорожной насыпи) на слабом основании и, усиленном грунтовыми сваями, было установлено, что характер развития зон предельного состояния по критериям Н.П. Пузыревского, несколько отличается от условий их формирования в основаниях сооружений из-за иных условий проявления взаимосвязи давления от собственного веса грунта и реакции оголовка грунтовой сваи.

7. Повышение сближения свай "т" (или степени насыщенности песком слабого основания), уменьшает как сумму главных напряжений, так и их разницу, что в свою очередь снижает уровень максимальных касательных напряжений и уменьшает возможность появления точек пластичности в межсвайном пространстве.

8. Модуль деформации грунта (песок, гравийно-песчаная смесь, щебень и т.п.) сваи и его сдвиговые характеристики играют существенную роль в факторе увеличения устойчивости и значительного уменьшении осадки слабого основания в целом.

9. Мощность насыпного слоя, диаметр грунтовых свай и расстояние между их осями должны быть согласованы, чтобы обеспечить однородность полей НДС в массиве грунта (слой насыпного грунта насыпи), лежащего над сваями-дренами.

10. Для обеспечения требуемой равномерности осадок насыпи при одной и той же степени насыщенности слабого основания грунтовыми сваями-дренами того или инего диаметра следует ограничивать минимально допустимую мощность насыпного грунта учитывая, что чем меньше степень насыщения слабого грунта сваями, (замены), тем выше влияние на hjf1" их диаметра D и тем выше опасность проявления неравномерных деформаций насыпного грунта; роль диаметра нивелируется только при достижении степени насыщения основания сваями 20% - 30%.

11. Предложены практические рекомендации по методам проектирования и расчета степени повышения несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет учета свайного эффекта вертикальных песчаных свай.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Куок Дат, 2010 год

1. Абелев М.Ю. "Слабые водонаеыщешые глинистые грунты как основания сооружений", М., Стройиздат, 1973, с.288.

2. Амарян Л.С. "Прочность и деформируемоеть торфяных грунтов", М., "Недра", 1969, с.193.

3. Амарян Л.С. "Полевые приборы для определения прочности и плотности слабых грунтов", М., "Недра", 1966, с.64.

4. Вопросы проектирования и сооружения земляного полотна на слабых грунтах, "Труды Союздорнии", вып. 65,1973г., с.216.

5. Вопросы сооружения и эксплуатации насыпей на откосах, сборник статей (Ком. по земляному полотну при научно-техническом совете МПС и Техн. Совете Минтрансстроя), Москва, "Транспорт", 1965г, стр.160.

6. Далматов Б.И., Сахаров И.И., Сотников С.Н., Улицкий В.М., Фадеев А.Б., Механика грунтов, Часть 1 — Основы геотехники, Москва Санкт-Петербург, 2000, стр. 140-141.

7. Добров Э.М. "Механика грунтов", М., Издательский центр "Академия", 2008.

8. Дрозд П.А. "Сельскохозяйственные дороги на болотах", Минск, "Урожай", 1966г, с. 168.

9. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. "Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах", М., Транспорт, 1976, с.272.

10. Евгеньев И.Е. "Строительство автомобильных дорог через болота", М., Транспорт, 1968, с.220.

11. Евгеньев И.Е. "Земляное полотно с! вертикальными дренами на болотах", М., Транспорт, 1964, с.76.

12. Казарновский В.Д. Оценка устойчивости насыпей на слабых грунтах // Автомобильные дороги. — 1966. № 1. — С.15-17.

13. Казарновский В.Д., Полуновский А.Г. и др. Синтетические текстильные материалы в транспортном строительстве. — М.: Транспорт, 1984. — 159с.

14. Казарновский В.Д. Основа обеспечения прочности и устойчивостидорожных конструкций. -М.: Техполиграфцентр, 2009. 98с.

15. Казарновский В.Д. Пути повышения-надёжности и долговечности дорог в сложных природных условиях // Наука и техника в дорожной'отрасли. — 2002'. — №2. С. 8-9.

16. Казарновский В.Д. Основы инженерной геологии, дорожного грунтоведения и механики грунтов. М.: Интрасдорнаука, 2007. 284с.

17. Кириллова Н.Ю., Козлова Н.Ф., Шаврин JI.A. Анализ исходных данных и проектирование фундаментов мелкого-заложения. — М.: МИИТ, 2006. — 38с.

18. Кириллова Н.Ю., Козлова Н.Ф. Механика грунтов, основания и фундаменты. Mi: МИИТ, 2005. - 44с.I

19. Морарескул Н.Н. "Методы устройства оснований и фундаментов в торфяных грунтах", JL, 1973г, с.40 (Ленинградский дом научн.-техн. пропаганды).

20. Мохаммед А.С. "Повышение несущей способность слабых оснований при реконструкции автомобильных дорог", на "Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук", Москва 2002г.

21. Полуновский А.Г. "Обоснование и исследование конструкции земляного полотна автомобильных дорог на участках залегания иольдиевых глин", на "Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук",. 4 -169- " • ■■1. Москва 1972г. . ' ; . :

22. Пузыревский Н.П. ,Фундаменты. М. , Стройиздат, 1934. .

23. Потапов А.С. "Применение песчаных свай для предотвращения деформаций водопропускных труб на слабых основаниях", Автореферат кандидатской диссертации. JL, 1969;

24. Фадеев; А.Б. "Метод конечных элементов в геомеханике", Москва «Недра» 1987. ■ ' ■■.,'.' '

25. Эстакады на автомобильных дорогах, сооружаемых в заболоченных районах. Техническая информация, Москва, 1970г, стр.48.

26. Barron R.A. Consolidation of fine grained soils by drain wells. J. Soils Mech. ASCE, June, 1947г., стр.811-835.

27. Bergado D:T., Chai J.C., Alfaro M.C.,. Balasubramaniam A.S. "Improvement techniques of soft ground in subsiding. and lowland environment", Division of geoteclmical&transportation engineering asian institute of technology Thailand, 1992.

28. A.Kipp Moorsprengungen bei bau der Holland: "Strasse und Auctobahn" ("Улицы и^автобаны''); 1995r,. 16, №5 стр.135-160.

29. Av Moss. Scweizerishe Erfahrungen im Strassenbau; auf Torf. "Strasse und Auctobahn", 1964г., 16, №8, стр.273-278. '

30. PILOT G., MOREAU M. "Remblais sur sols mous: equiques de baquettes laterales Abaques pour le calcul de stabilit6", LCPC, Paris, 1973.

31. M. Smith and D.V. Griffiths. "Programming the finite element method"; Secondedition. University of Manchester, U. K, 1988.

32. Проф. Дтн. Bui Anh Dinh. "Co hoc dat", Ha noi, 2004. , .r •

33. Nien giam thong ke nam 2006, стр.96. 39. Pierre I.areal, Nguyen Thanh Long, Nguyen Quang Chieu, Vu Due Luc, Le Ba Lucrng "Nen divong tren dat yeu trong dieu kien Viet Nam", Ha noi, 2001.

34. Декан дорожно-строительного факультета,профессор у Садовой В.Д.

35. Зав. кафедрой «Инженерная Ц/ J/ jгеология и геотехника», докт. техн. наук, профессор у // / Добров Э.М.