автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Совершенствование способа усиления кустовых свайных фундаментов зданий в глинистых грунтах

На правах рукоп

ТИШКОВ Евгений Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА УСИЛЕНИЯ КУСТОВЫХ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ

05.23.02 — Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

Тюмень-2014

005553763

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ПОНОМАРЕНКО Юрий Евгеньевич

ПОЛИЩУК Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВП «Кубанский государственный аграрный университет», зав. кафедрой «Основания и фундаменты».

БАИ Владимир Федорович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВП «Тюменский государственный архитектурно строительный университет», зав. кафедро «Строительные конструкции»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

архитектурно-строительный университет» («Сибстрин»)

Защита диссертации состоится «19» декабря 2014 года в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 ВАК РФ на базе ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет». Текст диссертации и автореферат размещены на сайте университета http://www.tgasu.ru.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2.

Автореферат разослан «18» октября 2014 г.

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постановлением правительства РФ от 17.10.2012 г. №1050 «О федеральной целевой программе "Жилище" на 2011-2015 годы» предусмотрено повышение уровня обеспеченности населения жильем. Эту задачу можно решить как за счет увеличения объемов нового жилищного строительства, так и путем обеспечения сохранности имеющегося фонда жилья за счет его реконструкции и модернизации.

Анализ работы свайных фундаментов свидетельствует о том, что в условиях реконструкции и восстановления зданий возникает необходимость решения вопросов их усиления и совершенствования методов расчета. В СибАДИ (г. Омск) разработан способ усиления кустовых свайных фундаментов, который позволяет передавать на основание часть нагрузки от реконструируемого здания через железобетонную плиту (низкий ростверк), дополнительно устраиваемую под подошвой существующего ростверка. Способ прошел апробацию и уже используется на ряде объектов в г. Омске. Однако до настоящего времени вопросы включения в работу низкого ростверка, изменения напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в основании усиливаемых кустовых свайных фундаментов, оценки несущей способности фундаментов после их усиления, учета особенностей работы разгружаемых при усилении свай и другие исследованы пока недостаточно. Поэтому тема диссертационной работы о совершенствовании способов усиления кустовых свайных фундаментов зданий в глинистых грунтах является актуальной.

Степень разработанности. Современные способы усиления свайных фундаментов и их оснований не в полной мере обеспечивают гарантированный результат повышения их несущей способности и не позволяют контролировать параметры НДС усиливаемых элементов.

Широко применяемые способы устройства кустовых свайных фундаментов не учитывают взаимодействие низкого ростверка с грунтом основания ввиду отсутствия методов их проектирования, которые позволяют передавать давление на грунт основания подошвой низкого ростверка в течение всего срока эксплуатации здания.

Объект исследований - конструктивно-технологическая система «низкий ростверк - куст свай - грунтовое основание».

Предмет исследований - оценка процессов, происходящих в системе «низкий ростверк — куст свай — грунтовое основание» при усилении свайных фундаментов в глинистых грунтах.

Цель работы - разработка способа повышения несущей способности кустовых свайных фундаментов для условий реконструкции зданий, обеспечивающего эффективность его применения в глинистых грунтах.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследований:

1.На основе анализа результатов экспериментально-теоретических исследований усовершенствовать способ усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий и обосновать область его применения в глинистых грунтах на примере Омского региона.

2. Установить аналитические зависимости и параметры напряженно-деформированного состояния, характеризующие работу усиливаемого кустового свайного фундамента в глинистых грунтах при нагружении и разгрузке; разработать методику оценки работы свай при разгрузке.

3. Выполнить экспериментальные исследования работы элементов системы «низкий ростверк - куст свай - грунтовое основание».

4. Разработать инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах; осуществить внедрение результатов исследований при проектировании усиления кустовых свайных фундаментов в условиях реконструкции и восстановления зданий.

5. Предложить направления дальнейших исследований по совершенствованию конструктивных решений и методов расчета свайных фундаментов для нового строительства, обеспечивающих заданную несущую способность свай в глинистых грунтах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Усовершенствован способ усиления кустовых свайных фундаментов, который позволяет передавать часть нагрузки на глинистый грунт через монолитную железобетонную плиту, дополнительно устраиваемую под подошвой существующего ростверка, и обеспечивает повышение их несущей способности на 15-45 % за счет регулируемой передачи давления на основание.

2. Установлены закономерности работы разгружаемых кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах и разработан аналитический метод определения перемещений свай при разгрузке.

3. Разработан метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых (восстанавливаемых) зданий, который базируется на использовании системы «низкий ростверк - куст свай - грунтовое основание» в глинистых грунтах.

Теоретическое значение работы заключается:

- в обосновании положения о повышении несущей способности кустового свайного фундамента в глинистых грунтах, учитывающего включение в работу

дополнительно устраиваемой железобетонной плиты под подошвой существующего ростверка;

- в получении аналитических зависимостей, характеризующих работу усиливаемых кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах при нагружении и разгрузке;

в обосновании использования конструктивно-технологических параметров при усилении кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах.

Практическое значение работы и ее использование:

1. Практическое значение работы состоит в том, что разработанные конструктивные решения, инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов обеспечивают повышение их несущей способности в глинистых грунтах и могут использоваться при реконструкции и восстановлении зданий в грунтовых условиях Омского региона.

2. Результаты исследований использованы:

• при разработке проектной документации и производстве работ по усилению кустовых свайных фундаментов в реконструируемых зданиях в г. Омске (ул. Пушкина, 137; ул. 24 Северная, 125а; санаторий-профилакторий «Рассвет»);

• в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) при чтении лекций и дипломном проектировании для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство», а также при чтении лекций на курсах повышения квалификации для специалистов проектных и строительных организаций.

Применяемые методы исследований:

• теоретические в виде обобщения материалов инженерно-геологических изысканий на застраиваемых строительных площадках, численного моделирования работы свайного фундамента для условий нового строительства;

• экспериментальные в виде испытаний натурных свай статическими вдавливающими нагрузками при их нагружении и разгрузке, штамповых испытаний грунтов.

ЛичныП вклад автора заключается: в совершенствовании способа усиления кустовых свайных фундаментов; в разработке методики и экспериментальных исследованиях процессов нагружения и разгрузки свай; в исследованиях скорости нагружения глинистых грунтов при полевых штамповых испытаниях; в лабораторных исследованиях материалов демпфирующих вставок; в непосредственном участии внедрения способа усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- способ усиления кустовых свайных фундаментов с регулируемой передачей давления на глинистое основание через дополнительную монолитную железобетонную плиту, устраиваемую под подошвой существующего ростверка;

- результаты натурных экспериментальных исследований работы свай при нагружении и разгрузке в глинистых грунтах;

- результаты экспериментальных исследований штампов при различной скорости нагружения в глинистых грунтах в натурных условиях;

- инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах для условий реконструкции и восстановления зданий;

- способ устройства свайных кустовых фундаментов с регулируемой передачей давления на глинистый грунт основания посредством демпфирующих вставок.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований диссертационной работы подтверждается: корреляцией теоретических положений и результатов экспериментальных исследований; полнотой и достоверностью данных; достаточным объемом экспериментальных исследований; результатами геотехнического мониторинга объектов, реконструированных с применением предложенных способов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях (с международным участием) «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России» (г. Омск, ноябрь 2011 г., ноябрь 2012 г.); международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Байкова (г. Москва, июнь 2012 г.); международном конгрессе «Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации» (г. Омск, октябрь 2013 г.); международной научно-практической конференции «Инновационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых» (г. Омск, февраль 2014 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, апрель 2014 г.). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенных научных семинарах инженерно-строительного института и факультета «Автомобильные дороги и мосты» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (г. Омск, ноябрь 2013 г.).

Публикации по теме диссертационного исследования. По материалам диссертации опубликовано десять научных работ, в том числе два патента РФ на полезные модели и две статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах (изданиях), входящих в перечень ВАК для публикаций научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Работа содержит 180 страниц печатного текста, 61 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 146 наименований.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели работы, научной новизне и практической значимости результатов диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 -Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 7 «Разработка новых методов расчета, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций»; пункту 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные задачи диссертации, обоснована научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.

В первой главе диссертационной работы выполнен обзор литературных источников, дан краткий анализ существующих способов усиления оснований и фундаментов зданий и сооружений, обзор нормативной базы в области усиления. Проанализированы результаты исследований по влиянию низкого ростверка на несущую способность свайных фундаментов.

Изучению проблем, связанных с усилением оснований и фундаментов, были посвящены работы Ю. М. Абелева, М. Ю. Абелева, Г. М. Бадьина, Б. В. Бахолдина, В. А. Богомолова, Ф. Е. Волкова, Э. М. Генделя, Н. М. Глотова, М. И. Горбунова-Посадова, А. Л. Готмана, Н. 3. Готман, Б. И. Далматова, X. А. Джантимирова, П. А. Коновалова, П. А. Кравченко, А. И. Мальганова, В. Р. Мустакимова, A. JI. Невзорова, JI. В. Нуждина, В. Н. Парамонова, В. С. Плевкова, А. В. Пилягина, А. И. Полищука, В. Г. Симагина, Е. А. Сорочана, А. Г. Тамразяна, Ю. Г. Трофименкова, 3. Г. Тер-Мартиросяна, В. М. Улицкого, С.

Б. Ухова, Н. А. Цытовича, Чу Туан Тхань, В. Б. Швеца, К. Avellan, R. L Terrel, J. Teymourian, E. White и других ученых.

В настоящее время известны различные способы усиления оснований и фундаментов. Существующие способы можно разделить на 2 группы, основанные на изменении свойств и характеристик грунтов основания либо на изменении конструкции фундамента. Недостатками способов усиления являются: отсутствие возможности контроля напряженно-деформированного состояния основания в процессе усиления; отсутствие методологии оценки работы разгружаемых свайных фундаментов; включение в работу элементов усиления после отказа основания или фундамента; практическая невозможность применения технологий к свайным фундаментам и др..

В условиях Западной Сибири широкое распространение получили фундаменты зданий с низкими ростверками на железобетонных забивных сваях. При проектировании кустовых свайных фундаментов несущую способность ростверка по грунту не учитывают ввиду отсутствия в нормативных документах специальных указаний и методов расчета.

Изучением работы ростверка по грунту и совершенствованием свайных фундаментов занимались такие ученые, как А. А. Бартоломей, Б. В. Бахолдин, И. Ф. Буланкин, В. А. Веселов, И. В. Глушков, Н. М. Дорошкевич, В. А. Кондрашев, А. А. Луга, В. В, Лушников, Р. А. Мангушев, И. А. Маренинов, Н. С. Метелюк, Ю. Р. Оржеховский, В. П. ГГетрухин, Л. М. Пешковский, А. В. Пилягин, А. И. Полищук, В. А. Сернов, В. И. Теличенко, А. Н. Тетиор, А. Б. Фадеев, В. М. Чикишев, Д. Ю. Чунюк, О. А. Шулятьев, В. Д. Яблочков, N. Dallas и другие. Эффект увеличения несущей способности свай в глинистых грунтах с течением времени рассматривался в работах Т. А, Дунаевской, А. И. Осокина, В. Н. Парамонова, В. М. Улицкого, и других ученых.

Положения о включении ростверков в совместную работу со сваями нашли отражение в нормативных документах лишь с 2003 года. В актуализированной редакции СНиП предусмотрен учет работы плиты по грунту только для комбинированных свайно-плитных фундаментов, при этом их устройство рекомендовано в песчаных грунтах средней плотности и плотных, а также глинистых грунтах при показателе текучести ниже IL < 0,5, что существенно сокращает область использования таких фундаментов. Поэтому главным недостатком свайных кустовых фундаментов является отсутствие учета работы низкого ростверка при определении несущей способности.

Существуют свайно-плитные фундаменты, предусматривающие включение в работу плиты ростверка на грунтовом основании посредством устройства между верхней плоскостью сваи и низом ростверка прокладок из

пенополистирола разной толщины. Обширные работы по совершенствованию свайных фундаментов проводил В. В. Лушников. Предложенные в результате этих работ конструктивные решения в большей степени применимы к свайно-плитным и нуждаются в уточнении применительно к кустовым фундаментам. В частности: недостаточно изучены характеристики материала прокладки в условиях предельного обжатия; отсутствует защита демпфирующей прокладки от смещений при производстве работ; усложнен метод расчета фундамента.

По результатам выполненного анализа определена цель и поставлены задачи диссертационной работы. Основным направлением разработок и исследований является повышение несущей способности кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий.

Вторая глава посвящена разработке способа усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий во взаимосвязи с анализом региональных инженерно-геологических условий, а также выявлению аналитических зависимостей и параметров напряженно-деформированного состояния, характеризующих работу усиливаемого фундамента в глинистых грунтах при нагружении и разгрузке.

Для оценки применимости разработанного способа в условиях Западной Сибири был выполнен анализ инженерно-геологических условий на примере Омска. Грунтовые условия оценивались путем обобщения архивных материалов ведущей изыскательской организации «ОмскТИСИЗ». В результате анализа установлено, что в литологической структуре до глубины 20 м подавляющий объем (свыше 90%) занимают глинистые грунты, среди отложений в большей степени развиты суглинки (рисунок 1а) - 47% объема. Для суглинков и глин преобладающим является туго- и мягкопластичное состояние (рисунок 16).

б)

■ Суглинки ■ Глины ■ Супеси ■ Пески

■ твердое ■ полутвердое ■ тугопластичное

■ мягкопластичное ■ текучспластичное "текучее

Рисунок 1. Распределение грунтов: а) по разновидности; б) по состоянию

Среди осложняющих факторов выявлены: тенденция к подъему уровня грунтовых вод; подверженность грунтов морозному пучению; наличие просадочных грунтов I типа на левобережной территории Омской области. На глубине, соответствующей отметкам заложения ростверков свайных фундаментов, чаще всего встречаются мягкопластичные суглинки. Опирание нижних концов свай производится преимущественно в тугопластичные и полутвердые суглинки и глины.

На основании проведенного анализа усовершенствован способ усиления свайных кустовых фундаментов в глинистых грунтах. Реализация предлагаемого способа усиления свайного фундамента (рисунок 2) включает следующие этапы.

1. Под подошвой ростверка свайного фундамента устраивается котлован и бетонируется дополнительный ростверк (фундамент мелкого заложения), глубина заложения которого назначается исходя из инженерно-геологических условий и обеспечения устойчивости фундамента на действие сил морозного пучения. Размеры назначаются с учетом дополнительной нагрузки, которую требуется

2. Между ростверками

устанавливаются расклиниватели (винтовые или гидравлические домкраты). По мере догружения кустового фундамента часть усилий со свай передается через ^ расклиниватели на дополнительный ростверк, т.е. грунтовое основание ростверка включается в работу фундамента. Степень загрузки основания контролируется усилием в расклинивателях, а надежность усиления достигается наблюдением за процессом стабилизации усилий расклинивания и осадкой основания.

3. После усиления гидравлические домкраты заменяются на монолитные железобетонные элементы, винтовые домкраты не демонтируются (ввиду относительно низкой стоимости) и омоноличиваются бетоном. Техническая новизна усовершенствованного способа подтверждена патентом.

В процессе усиления свайного фундамента происходит перераспределение усилий между существующими сваями и основанием ростверка, усиливающего фундамент (рисунок 3). При усилении выделяются 3 основных этапа.

1. До усиления - нагрузка на фундамент воспринимается только сваями:

свайных фундаментов: 1 — сваи; 2 - ростверк;

3 - дополнительный ростверк;

4 - стойки; 5 - расклиниватели;

6 - грунтовое основание ростверка

= Ы ■ п

11, п ш п,

где п - количество свай в кусте; Л^,- - усилие в свае до усиления. 2. В процессе усиления — часть усилий передается через расклиниватель на грунтовое основание дополнительного ростверка:

п-Краск, (2)

где Мраск - усилие в расклинивателе.

При нарастании усилий расклинивания проявляются перемещения разгрузки сваи:

АС=А/-А,Р, (3)

где А, - осадка сваи до усиления; А(/,- перемещения сваи при разгрузке. _

а)

^гтттт

ЦТ

1

3

ттттттт

' чу

II

г. *[

пт

щ

I

ттттттт

Нагрузка

ттттт

!

ЧУ

т

Рисунок 3. Расчетная схема усиления: а) усилия в фундаменте; б) график работы сваи; т - сопротивление грунта по боковой поверхности сваи; оост - напряжения под нижними концами свай; [Щ - предельная нагрузка на сваю; [А] - предельная

осадка сваи

3. В предельной стадии - несущая способность усиленного фундамента суммируется из несущей способности свай и дополнительного ростверка. Напряжения в грунте под ростверком <з,Р, ограничиваются расчетным сопротивлением грунта (а,р, < Я) для возможности применения теории линейного деформирования грунта при определении осадок:

^^^■п+Я-А, (4)

где Я — расчетное сопротивление грунта в основании дополнительного ростверка, определяемое на основании физико-механических характеристик грунтов; А - площадь дополнительного ростверка.

Изменение осадки основания дополнительного ростверка в предельной стадии:

рост

I А рост ] А/

рост'

(5)

где [Арост] - осадка основания дополнительного ростверка при нагрузке, исчерпывающей расчетное сопротивление грунта; Д¡рост - осадка основания дополнительного ростверка от усилия Мраск.

Усилие в расклинивателе определяется из условий одновременного достижения:

- расчетной несущей способности куста свай и расчетного сопротивления грунта в основании дополнительного ростверка;

- равенства разностей допустимых перемещений свай Аск и осадок грунта в

основании ростверка: Аск = Арост. Перемещения куста равны Дж=[Д]-Д/р. Основной проблемой учета

перераспределения усилий между элементами усиливаемого фундамента является неопределенность фактической работы свай в условиях разгружения, т.е. определение перемещений разгрузки фундамента А1р. Разгрузка при усилении может производиться при любом уровне нагрузки на фундамент (рисунок 4).

Нагрузка

разгрузки

Рисунок 4. График работы сваи с разгрузкой: ао, си — углы наклона касательной линии разгрузки; Ли ~ конечные перемещения разгрузки; А,р~ перемещение разгрузки, соответствующее усилию М1р

При разгрузке с начального уровня нагружения (А'о ~ [0,15... 0,20]'АО свая работает в глинистом грунте практически по упругой схеме, т.е. остаточные перемещения разгрузки сваи практически стремятся к нулю. В указанных интервалах нагрузки определяется начальный

коэффициент жесткости сваи в глинистом грунте к0:

к0 = = ^ (6) До

С ростом нагрузки характер работы сваи меняется, переходя в упругопластическую стадию, т.е. коэффициент жесткости сваи в грунте изменяется в зависимости от уровня нагрузки.

Соотношение между нагрузками и осадками сваи аппроксимировано уравнением:

/ им 1

Ы) у

где [5] - осадка сваи при расчетной нагрузке, соответствующей предельной осадке; [Л] — нагрузка на сваю, по достижении которой происходит прирост осадки без увеличения нагрузки; - нагрузка на сваю на г-м этапе загружения.

В общем виде уравнение коэффициента жесткости сваи в глинистом грунте имеет вид:

*,=-^Д,-А|й) + Ло, (8)

где А - параметр, отражающий изменение коэффициента жесткости в диапазоне расчетных осадок; Д& - перемещение разгрузки сваи в конечной точке.

В то же время коэффициент жесткости сваи в глинистом грунте определяется следующим образом:

*, = ■. V- (9)

Приравнивая выражения (8) и (9), получаем:

л_ко 'К

(10)

Д-Дк

Произведя дальнейшие преобразования с подстановкой А в формулу (8), определяется выражение для уровня остаточных перемещений после разгрузки сваи с любого уровня напряжений:

*о(Д-М_ 2(к0-кК) \\{2(к0-кк) ) к0-кк

Разгрузка сваи практически с любого уровня нагружения происходит по кривой, уравнение которой можно описать квадратичной зависимостью. В граничной точке при максимальной нагрузке на сваю уравнение кривой имеет вид:

А = В- И2 + (12)

где В и С - коэффициенты соотношения перемещений, зависящие от характеристик грунтов основания. После преобразований, уточнения и подстановки коэффициентов в исходное уравнение, определено теоретическое уравнение кривой разгрузки:

А-А, дг2 2(Д-ДК)

Ы2 * N

В развитие теоретических исследований усиления свайных фундаментов, третья глава посвящена экспериментальным исследованиям работы элементов системы «низкий ростверк - куст свай — грунтовое основание» на основе серий натурных опытов в глинистых грунтах.

Первая серия экспериментов посвящена выявлению особенностей работы свай в процессе разгрузки из разных уровней загружения, что необходимо для

А =-— А:-ЛГ2+ +Д . (13)

V \т2 'Р л/ 'V « ^ 1-,>

оценки напряженно-деформированного состояния в процессе усиления свайных кустовых фундаментов.

Выбор опытных площадок основывался на анализе грунтовых условий, т.е. эксперименты выполнялись в наиболее распространенных грунтах региона. Верхняя часть литологического разреза испытательной площадки №1 сложена глинистыми грунтами, находящимися в мягко- и текучепластичном состоянии. Нижний конец испытываемой сваи на 1 м был заглублен в тугопластичный суглинок. Испытания производились для сваи длиной 12 м (С 120.30-6), погруженной в лидерную скважину (глубиной 2 м) для исключения сил пучения. Нагружения свай выполнялись гидравлическим домкратом ДГО-ЮО (рисунок 5).

Эксперименты выполнялись по специально разработанной методике, предусматривающей статические

испытания с тремя промежуточными разгрузками свай и выдержку на каждой ступени (нагружения и разгрузки) до наступления условной стабилизации деформаций основания. Осадки основания сваи при испытаниях фиксировались установленными

Рисунок 5. Испытание грунтов индикаторами часового типа ИЧ-50.

натурной сваей

Сопоставление коэффициентов жесткости свай, вычисленных теоретически, с данными экспериментальных исследований (рисунок 6), а также сопоставление остаточных перемещений (рисунок 7) свидетельствует о корректности аналитических зависимостей, установленных во второй главе.

^^Фактическое изменение к! -•-Теоретическое изменение к) — -.Аппроксимация фактического графика

Нагрузка, кН

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000

= 1.5 —

I 20 fI 2.5

—♦—Фактически Теоретически

250

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Нагрузка. кН

Рисунок 6. Сопоставление коэффициентов жесткости

Рисунок 7. Сопоставление остаточных перемещений разгрузки сваи

Нагрузка, кН

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

7.0

Рисунок 8. Теоретические и экспериментальные линии разгрузки сваи

Степень расхождения результатов при определении коэффициента жесткости сваи в глинистом грунте не превышает 13%, а при определении остаточных перемещений 8%. Сравнительный анализ теоретических линий разгрузки и линий, построенных на основании экспериментов (рисунок 8) свидетельствует о достаточной сходимости результатов (погрешность 7%), т.е. разработанная в главе 2 методика оценки работы свай при разгрузке адекватно отражает реальную работу разгружаемой сваи.

Процессы стабилизации осадок грунтового основания, происходящие при передаче давлений через подошву дополнительного ростверка, исследованы на основе результатов проведенных натурных испытаний грунтов. Цель экспериментов - определение допустимой скорости загружения грунта в основании дополнительного ростверка. Имитация процесса работы усиливающего ростверка выполнена посредством штамповых испытаний грунтов в натурных условиях (рисунок 9). Программой испытаний предусматривалось ступенчатое загружение штампа: первое загружение ступенями, принимаемыми по методике ГОСТ (0,05МПа); второе со ступенями, превышающими нормируемые на 0,025МПа; третье — ступени меньше нормируемых на 0,025МПа. При испытаниях использовался жесткий винтовой штамп площадью 600см2 и канатно-рычажное устройство КРУ-600. Измерения осадок штампа выполнены индикаторами ИЧ-50. Испытания производились для тугопластичного суглинка (таблица).

Таблица

Показатели с 5 и з и ко - м ех а н и ч е с к и х характеристик суглинка

Плотность Р^Рш, кН/м3 Показатель текучести Удельное сцепление с//с№ кПа Угол внутреннего трения (р^фи, град Модуль деформации, МПа

19,5/19,7 0,31 21/23 18/19 8.0

Рисунок 9. Испытательная установка

В результате испытаний было установлено, что при увеличении приращения нагрузки на 50% в сравнении с нормируемой по ГОСТ общее время испытания снижается на 17%. Однако, при этом наблюдается двукратное увеличение итоговой осадки штампа. Увеличение скорости нагружения опасно возникновением нестабилизированного состояния грунта (особенно при выполнении усиления в глинистых грунтах с показателем текучести ,/£ > 0,5).

При снижении приращения нагрузки на 50 % выявлено незначительное уменьшение осадки штампа (рисунок 10) при двукратном увеличении общей продолжительности испытаний.

Давление, МПа

0.00

0.50

; 1.00 Г

; 1.50

I

, 2.00 |

; 2.50 3.00

\

-Ступень 0,05МПа Ч

- Ступень 0,075МПа ч ч ч

—Ступень 0.025МПа \ \

Экспериментально установлено, что при усилении кустовых свайных фундаментов нагрузку на

дополнительный ростверк следует прикладывать ступенями. Величину ступеней для глинистых грунтов целесообразно назначать в зависимости от показателя текучести и коэффициента пористости грунта основания по нормируемой методике, разработанной для проведения Рисунок 10. Результаты штамповых штамповых испытаний грунтов.

испытании Ступени нагрузки необходимо

прикладывать после достижения относительной стабилизации осадок основания.

В четвертой главе разработан инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов в глинистых грунтах, приведены результаты практического применения предложенного способа усиления при реконструкции зданий, оценена экономическая эффективность способа усиления.

Разработанный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов позволяет:

выявить напряженно-деформированное состояние основания и усиливаемых элементов на всех стадиях усиления;

- назначить конструктивные параметры элементов усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий;

- определить технологическую последовательность производства работ.

Усовершенствованный способ разработан для усиления кустовых свайных

фундаментов при отсутствии грунтов со специфическими свойствами под подошвами дополнительных ростверков. Если под подошвами ростверков залегают слабые сильносжимаемые грунты, для повышения эффективности усиления кустовых свайных фундаментов возможно предварительное укрепление грунта с последующим усилением предложенным способом.

Способ усиления был успешно реализован при реконструкции нескольких зданий в г. Омске. Необходимость усиления фундаментов здания по ул. Пушкина, 137 была продиктована увеличением нагрузок на фундаменты, а также ухудшением технического состояния несущих конструкций зданий от перегрузки свай. Усиление кустовых свайных фундаментов было произведено с помощью разработанного способа (рисунок 11). Результаты геотехнического мониторинга свидетельствуют о положительном эффекте усиления и повышении несущей способности усиленных свайных фундаментов.

Рисунок 11. Усиление фундаментов здания: а) 4-х свайный фундамент; б) 3-х свайный фундамент; 1 - свая; 2 - ростверк; 3 - дополнительный ростверк; 4 - стойка; 5 - расклиниватель

В 2013г. с применением разработанного способа было произведено усиление свайных фундаментов здания бассейна санатория. С 2009г. после реконструкции с изменением конструктивных решений в стенах здания стали появляться трещины, были зафиксированы длительные непрекращающиеся осадки свайного фундамента торцевой стены. На основании проведенных инструментально-технических обследований и расчетов было установлено, что основной причиной возникновения трещин в стенах послужило непроектное догружение фундамента торцевой стены за счет опирания главных балок, воспринимающих нагрузку от бассейна.

Усиление свайного фундамента торцевой стены произведено с помощью усовершенствованного способа, включая следующие основные этапы:

- устройство нового монолитного железобетонного фундамента на естественном основании, предназначенного для восприятия усилий от главных балок. Размеры фундамента назначены исходя из расчетного сопротивления грунта основания;

- монтаж винтовых домкратов на новый фундамент под каждую из главных балок (рисунок 12);

- установка индикаторов часового типа на главные балки для контроля перемещений;

- создание предварительного усилия расклинивания при опорожненной чаше бассейна посредством использования динамометрического ключа;

- дальнейшее поэтапное наращивание усилий в домкратах с заполнением бассейна водой после наступления относительной стабилизации осадок.

а) б)

Рисунок 12. Усиление фундаментов здания бассейна: а) общий вид конструкций усиления; б) - наращивание усилий в домкратах; 1 - усиливающий фундамент; 2 - винтовой расклиниватель; 3 - главные балки бассейна

Усиление свайных фундаментов разработанным способом позволило: - разгрузить фундамент торцевой стены и предотвратить дальнейшее раскрытие трещин в стенах;

произвести работы в максимально короткий срок (в период технологического слива воды из чаши бассейна);

обеспечить требуемый результат усиления, что подтверждено результатами наблюдений за осадками усиленного свайного фундамента и стабилизацией раскрытия трещин в стенах здания.

1

Щ№

У'" з я/ /

.1

Расчеты свидетельствуют, что усовершенствованный способ обеспечивает экономический эффект 35% при усилении свайных кустовых фундаментов.

В пятой главе приведены результаты исследований по совершенствованию конструктивных решений и методов расчета кустовых свайных фундаментов новых зданий, предложены направления дальнейших исследований.

Повысить несущую способность свайных кустовых фундаментов возможно еще на этапе проектирования. Для этого предложен способ устройства фундаментов, предусматривающий включение в работу низкого ростверка (рисунок 13). Сущность способа заключается в следующем.

ч Л

1. Производится погружение свай.

2. По верхним плоскостям свай устраивают выравнивающий слой из цементно-песчаного раствора с выверкой высотного положения плоскостей верхних концов свай.

3. По выравнивающему слою укладывается демпфирующая вставка из упругого материала. За счет наличия вставки обеспечивается двухстадийная работа нагружаемого свайного фундамента, передача давлений на грунт под подошвой ростверка и регулирование осадок.

4. На демпфирующую вставку устанавливается предохранительный кожух для обеспечения беспрепятственного сжатия вставки в вертикальной плоскости и неизменности ее положения на сваях в процессе устройства ростверка.

5. После установки элементов производится армирование и бетонирование ростверков. Новизна способа подтверждена патентом.

С учетом наличия демпфирующей вставки разработанный кустовой свайный фундамент становится системой, включающей в себя ростверк, работающий изначально как фундамент на естественном основании, демпфирующую вставку и сваю. Для обеспечения работы ростверка по грунту материал демпфирующей вставки должен обладать относительно низким модулем упругости и обеспечивать практически полную деформацию (более 95% от общей толщины) в условиях предельного сжатия.

Система «низкий ростверк - куст свай - грунтовое основание» при наличии вставки в целом является статически неопределимой. Для ее раскрытия

Рисунок 13. Разработанный свайный фундамент: 1 - сваи; 2 - ростверк; 3 - выравнивающий слой; 4 - демпфирующая вставка; 5 - предохранительный кожух; 6 - грунтовое основание ростверка

разработана система разрешающих уравнений, устанавливающих взаимосвязь между усилиями, деформациями вставки и осадками грунта: Г ТУ,- ~сггР1 ■ Арост - Ысв1 =0; Граничные условия для предлагаемой

д _д _д _д =0. конструкции:

N . = N ■ + N

С61 Св.,'П! ' се ОС)П1 5

' ^ 3) одномоментное наступление

Асе,// =0. предельного состояния в ростверке и

в свае;

где ст,,,, - напряжения в грунте под ростверком; Арост - площадь ростверка; Мсв! -усилие в свае в г-й точке нагружения; где а„„ - напряжения в материале вставки; А „о, - деформация вставки; Мсвгр„ ^в,ост1 - соответственно сила сопротивления по боковой поверхности и под острием сваи; [Аг/)], [Аа„\, [ 5„,| - предельные (расчетные) осадки соответственно, грунта под ростверком, демпфирующей вставки и сваи; — осевое сжатие ствола сваи от усилия [.¥„]; К,р - расчетное сопротивление грунта основания.

Анализ свойств различных строительных материалов показал, что наиболее

приемлемым материалом демпфирующей вставки является пенополистирол. Для

оценки работы материала в условиях предполагаемого напряженного состояния

произведены лабораторные испытания демпфирующих вставок из

пенополистирола различных марок плотности (М7-М40).

Методикой были предусмотрены

испытания на двух прессах усилием

100 кН и 1000 кН в интервале нагрузок

соответственно от 0 до 100 кН (для

точной оценки поведения

пенополистирола в начальный период

загружения) и в интервале нагрузок от

, 100 до 700 кН до предельного сжатия

Рисунок 14. Предельное сжатие . л.п/

более 95% толщины (рисунок 14).

вставки

В результате лабораторных испытаний были построены графики работы материала в полном диапазоне напряжений, включая напряжения предельного сжатия образцов (рисунок 15). Фактическая диаграмма работы пенополистирола удовлетворяет требуемому графику. В интервале испытательных нагрузок деформации образцов пенополистирола достигли 95...98% изначальной толщины.

Для оценки несущей способности свайных фундаментов с применением демпфирующей вставки была проведена серия численных экспериментов. Для эксперимента приняты: свайный фундамент с ростверком (СРФ) размерами 1,0x1,0 м; демпфирующая вставка (ДВ) из пенополистирола толщиной 0,035м;

одиночная свая С 100.30; основание из двух слоев грунта (пластичной супеси и полутвердой глины). Экспериментальные расчеты включали 2 серии: расчет СРФ с учетом вставки и расчет СРФ с ростверком, бетонируемым непосредственно по грунту без вставки.

а) б)

" 1-- ! , I-1-1-1-1-

1.8--И-----1 16

0.0 I -1-1------2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 о.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00

Относительные деформации, д.е. Относительные деформации, д.е.

Рисунок 15. Результаты испытаний образцов вставок в интервале нагрузки: а) от 0 до 100 кН; б) от 100 до 700 кН (масштаб деформаций увеличен в 10 раз)

5 » I

а. 6

Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований работы предложенного фундамента (рисунок 16) свидетельствует, что при наличии ДВ происходит более полное включение слоев грунта ниже подошвы ростверка в совместную работу со свайным фундаментом. Общие осадки при наличии ДВ превышают величину осадок основания без ДВ (что связано с активным включением в работу грунтов под подошвой ростверка и их осадкой), однако, не выходят за предельно-допустимую нормируемую величину. Численные эксперименты показывают, что при использовании демпфирующих вставок несущая способность фундамента увеличивается до 30%.

а)

2 о . 1 I 2

Я э

3

I 4

= 5

га

8 6 со

| 7 О 8 9

Рисунок 16. Сопоставление результатов теоретических исследований и численного моделирования: а) по осадкам сваи в составе фундамента; б) по

осадкам фундамента

Нагрузка на фундамент, кН 200 400 600 800 1 000

б)

I 200

4 ч

—теория СРФ без ДВ V

-•—теория СРФ ДВ \\

метод КЭ+Д В к

-•-метод КЭ бе ДВ

2 5

10

Ё

Б 15

я 20

■5 25

а 30

|

8 35

о

40

45

Нагрузка на фундамент. кН 200 400 600 800 I 000

1 200

-•-тео шя СРФ+ ДБ

—♦—мет адКЭ+Д!

—•—мет шКЭбмДВ

Для повышения несущей способности свайных кустовых фундаментов в условиях нового строительства необходимы дальнейшие исследования по изучению эффекта улучшения свойств фунта в межсвайном пространстве за счет обжатия ростверком; выполнения численных экспериментов и опытных натурных исследований свайных фундаментов с демпфирующими вставками и др..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Усовершенствован способ усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий, предусматривающий регулируемую передачу давлений на грунт основания путем включения в работу дополнительно устраиваемой монолитной железобетонной плиты под подошвой ростверка. Способ предназначен для усиления свайных кустовых фундаментов в глинистых грунтах и обеспечивает повышение несущей способности до 45%.

2. На основании теоретических исследований элементов системы «низкий ростверк - куст свай — грунтовое основание» установлены аналитические зависимости и параметры напряженно-деформированного состояния, характеризующие работу усиливаемого кустового свайного фундамента в глинистых грунтах на всех стадиях усиления. Разработанная и экспериментально подтвержденная аналитическая методика позволяет оценить работу разгружаемых свай при любом уровне нагрузки с точностью до 7%.

3. В результате натурных экспериментальных исследований работы элементов усиливаемых свайных фундаментов установлено изменение коэффициента жесткости сваи в глинистом грунте на разных стадиях нагружения и разгрузки с точностью до 13%. Экспериментально подтверждено, что разработанная методика оценки работы свай позволяет определить значения остаточных перемещений сваи при разгрузке, степень расхождения экспериментальных и теоретических данных 8%. На основании экспериментальных исследований определена оптимальная скорость нагружения расклинивателей и величина ступеней давлений на дополнительную усиливающую плиту из условия физико-механических характеристик грунтов основания.

4. Разработан инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов, позволяющий оценить повышение несущей способности свайных фундаментов, запроектировать усиление и назначить технологию производства работ. Метод предусмотрен для практического применения в условиях реконструкции и восстановления зданий. Накоплен положительный опыт успешного применения разработанного метода расчета и конструктивного решения при реализации усиления кустовых свайных фундаментов нескольких реконструированных зданий.

5. Разработан способ устройства кустовых свайных фундаментов зданий в условиях нового строительства, позволяющий увеличить их несущую способность за счет регулируемой передачи давлений на грунт основания под подошвой ростверка через демпфирующие вставки. Установлена система разрешающих уравнений и разработан алгоритм расчета, позволяющие запроектировать свайный кустовой фундамент с демпфирующими вставками. Проведены лабораторные исследования пенополистирола демпфирующих вставок в полном диапазоне предполагаемых напряжений. Численно реализована конечно-элементная модель предложенного кустового свайного фундамента и установлено повышение несущей способности на 30% при его устройстве в глинистых грунтах.

Дальнейшие исследования по тематике диссертации планируются в направлении расширения области применения разработанных решений, уточнении методов расчета и внедрения технических решений в практику строительства и реконструкции зданий.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ: Публикации в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Тишков Е.В. Опыт усиления свайных фундаментов при реконструкции зданий и сооружений / Е.В. Тишков, Ю.Е. Пономаренко, И.М. Ивасюк // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2013. -№3. - С. 14-17.

2. Тишков Е.В. Исследование работы разгружаемых свай и стабилизации осадок основания при усилении фундаментов / Е. В. Тишков // Вестник СибАДИ. - 2013. -№6 (34).-С. 62-66.

Публикации в материалах конференций и других изданиях:

3. Тишков Е.В. Технология активного усиления свайных фундаментов / Е.В. Тишков // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования -основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: матер. Всероссийской науч.-техн. конфер. (с международным участием) - Омск: СибАДИ, 2011. Кн. 1 - С. 214-218.

4. Тишков Е.В. Проблемы и перспективы развития методов усиления несущих конструкций / И.М. Ивасюк, Е.В. Тишков, С.С. Роскошный // «Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания»: сборник докладов Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Байкова / под ред. А.Г. Тамразяна; М-во образования и науки Росс. Федерации; ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит, ун-т». - Москва : МГСУ, 2012.-С. 104-111.

5. Тишков Е.В. Напряженно-деформированное состояние усиливаемых свайных фундаментов / Е.В. Тишков // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: матер. Всероссийской науч.-техн. конфер. (с международным участием) — Омск: СибАДИ, 2012 - С. 255-260.

6. Тишков Е.В. Экспериментальные исследования деформативных характеристик пенополистирола демпфирующих вставок / Е.В. Тишков, С.С. Роскошный // «Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации»: мат. Международного конгресса: - Омск : СибАДИ, 2013. Кн. 2. — С. 208-214.

7. Тишков Е.В. Современные способы устройства и активного усиления свайных фундаментов зданий / Е.В. Тишков // «Инновационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых»: мат. Международной науч,-практ. конфер.: - Омск : СибАДИ, 2014. - С. 61-65.

8. Тишков Е.В. Моделирование работы ростверка свайного фундамента с демпфирующей вставкой / Е.В. Тишков, С.С. Роскошный, М.В. Мосин // «Инновационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых»: мат. Международной науч.-практ. конфер.: - Омск : СибАДИ, 2014. С. 65-70.

На основании результатов исследования получены патенты:

9. Патент 1Ш №116516 «Конструкция усиления фундамента» / Тишков Е.В., Пономаренко Ю.Е., Ивасюк И.М.. // Бюллетень изобретений №15. - 2012.

10. Патент 1Ш №131389 «Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» / Тишков Е.В., Ивасюк И.М., Пономаренко Ю.Е., Роскошный С.С.. // Бюллетень изобретений №23. - 2013.

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 17.10.14. Формат 60x90/16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 818.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2