автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Безростверковые свайные фундаменты промышленных зданий и сооружений и общая методология их расчета

Р Г Б ОД

1 * АВГ 1995

На правах рукописи

Гетман Альфред Леонидович

БЕЗРОСТВЕРКОВЫЕ СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ И ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИХ РАСЧЕТА

05.23.02 Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь-1995

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и производственном институте строительного комплекса Республики Башкортостан (ЕашНИИстрой, г.Уфа)

НАУЧНЫЕ КОНСУЛЬТАНТЫ - член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор БАРТОЛОМЕЙ Адольф Александрович

- доктор технических наук, профессор ГРИГОРЯН Анаида Александровна

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

ГОНЧАРОВ Борис Васильевич

- доктор технических наук, профессор БАХОЛДИН Борис Васильевич

- доктор технических наук, профессор УЛИЦКИЙ Владимир Михайлович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Государственный проектный институт

Зундаментпроект (г. Москва)

Защита состоится "_"_ 1995 г. в _час. на заседании специализированного совета Д 063.66.01 при Пермском государственном техническом университете.

Адрес: 614600, ГСП-45, Пермь, Комсомольский проспект, 29а, ауд. 423.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"_ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

КУЗНЕЦОВ Г. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Проблема повышения эффективности свайных фундаментов для каркасных зданий и сооружений находится постоянно в поле зрения исследователей и решается в основном по двум направлениям: совершенствованием конструктивных решений фундаментов и совершенствованием методов их расчета.

Выполненный за последние 20 лет автором анализ многих сотен проектов фундаментов промышленных зданий и сооружений каркасного типа, возведенных в различных городах России, а также на Украине, в Казахстане и Белоруссии, показывает, что в среднем каждый четвертый объект запроектирован на фундаментах из свай. Из них 955; составляют забивные сваи в виде кустов с монолитным ростверком. Вместе с тем кустовой свайный фундамент в силу особенностей конструкции при высокой надежности и индустриальности далеко не всегда является рациональным и эффективным конструктивным решением. Наличие ростверка и высокая стоимость забивных свай редко позволяют такому фундаменту быть конкурентноспособной конструкцией по сравнению с другими типами фундаментов для зданий и сооружений массового строительства - по стоимости и по расходу материалов на 1 НН несущей способности он имеет довольно низкие показатели. Так, даже при нагрузке на фундамент 300-500 кН с эксцентриситетом приложения 0,1-0,4 м ("легкие" одноэтажные каркасные здания и опоры трубопроводов) зачастую применяются фундаменты под колонны из четырех и более забивных свай с ростверком объемом до 2-4 мЗ. фи этом несущая способность сваи, как правило, не менее 250-300 кН, т. е. "запас" достигает 200-300£.

Эти обстоятельства обусловили поиск ноеых, более совершенных конструкций свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, в том числе создание безростверковых свайных фундаментов, которые лишены основного недостатка кустовых свайных фундаментов - ростверка, а тага® необходимости выполнения опалубочных работ и работ по откопке котлованов и обратной засыпке.

Принципиальная эффективность безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений понималась и доказывалась многими исследователями, что и привело к созданию целого ряда таких конструкций, которые применялись в основном в порядке эксперимента. Однако созданием конструктивных решений безростверковых свайных фундаментов решается лишь часть проблемы.

- 3 -

Важнейшими условиями эффективного применения таких фундаментов являются выявление наиболее эффективных и рациональных конструкций, которые можно рекомендовать для массового применения, а также разработка надежных инженерных методов их расчета, в том числе с использованием данных скоростных методов изысканий. Все это требовало проведения обширного комплекса целенаправленных исследований.

В этой связи автор диссертации с 70-х годов занимался вопросами поиска и разработки эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, исследования особенностей их работы в грунте и разработки общей методологии их расчета на комплексное воздействие нагрузок.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР и ОКР НИИпромстроя (NN государственной регистрации 01.870088305, 01.870088304, 01.870088327, 01.880090255, 01.82504946,01.870007682), программой Госстроя БАССР "Стройнаука-2000" и целевой комплексной научно-технической программой Госстроя СССР ОЦ. 031.055.16Ц (задание 06 и 07).

Цель работы - комплексное исследование эффективных безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, включающее разработку принципов конструктивной эффективности таких фундаментов, изучение их напряженно-деформированного состояния под нагрузкой и разработку общей методологии их расчета на вертикальную и горизонтальную нагрузки, в том числе с использованием данных статического зондирования грунтов.

Для достижения поставленной цели решался следующий кбмплекс задач:

- анализ тенденции развития проблемы безростверковых свайных фундаментов в промышленном строительстве, проведение технико-экономических исследований и определение на этой основе наиболее эффективных и перспективных конструктивных решений таких фундаментов;

- исследование особенностей напряженно-деформированного состояния и закономерностей наступления предельного состояния системы "основание-фундамент" при работе эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки, выявление факторов, обуславливающих сопротивление основания фундаментов при комплексном воздействии этих нагрузок, с последующим выбором модели основания и построением расчетных схем;

- разработка общей методологии и практических методов расчета безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и

- 4 -

сооружений на вертикальную и горизонтальную нагрузки, в том числе с определением расчетных параметров грунта по данным статического зондирования;

- разработка нормативно-технической и методической документации по проектированию и выбору эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов с комплектом прикладных программ для их автоматизированного проектирования на ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

- впервые выполнено обобщение и дана классификация безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений;

- сформулированы конструктивные принципы рациональных типов безростверковых свайных фундаментов промышленных, зданий и сооружений и предложены эффективные конструкции фундаментов в виде штампонабив-ных свай переменного по длине сечения и комбинированных свайных фундаментов;

- изучены закономерности поведения таких фундаментов в грунте и особенности их напряженно-деформированного состояния при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок, в том числе и при совместном их действии, определены критерии предельного состояния системы "фундамент-основание";

- установлена взаимосвязь между напряжениями на поверхности контакта фундаментов с грунтом и соответствующими параметрами сопротивления грунта, получаемыми статическим зондированием, на основании чего разработаны методы определения расчетных характеристик грунта, используемых для расчета безростверковых свайных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки, по данным статического зондирования;

- разработаны схемы взаимодействия с грунтом безростверковых свайных фундаментов из пирамидальных пггампонабивных и комбинированных свай, на основе которых разработаны практические методы расчета таких фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;

- разработал и реализован на практике комплекс программ для автоматизированного проектирования на ШВЫ безростверковых свайных фундаментов под колонны промышленных каркасных зданий и сооружений.

Практическое значение. Разработаны эффективные конструктивные решения безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений в виде пирамидальных пггампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов, которые целесообразно применять

- 5 -

взамен кустовых свайных фундаментов с ростверком при нагрузке на фундамент до 3 МН, что позволяет за счет ликвидации ростверка, земляных и опалубочных работ снизить сметную стоимость и расход материалов на единицу несущей способности на 25-35Х.

Рааработаны методы расчета безростверковых свайных фундаментов с использованием данных статического зондирования, что обеспечивает существенное сокращение сроков и стоимости обоснования выбора проектных решений и собственно проектирования за счет исключения трудоемких и дорогостоящих статических испытаний фундаментов.

Реализация предложенных разработок послужила основой для решения крупной народнохозяйственной задачи - применения в промышленном строительстве безростверковых свайных фундаментов взамен кустовых свайных фундаментов с ростверком. В БашНИИстрое разработан полный комплект механизмов, оборудования и оснастки, а также полный перечень нормативно-технической и технологической документации по проектированию и устройству фундаментов.

Результаты исследований нашли отражение в общесоюзных нормах по проектированию фундаментов-опор трубопроводов (Пособие по проектированию отдельно стоящих опор и эстакад под технологические трубопроводы (к СНиП 2.09.03-85)), в региональных нормах (Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах) и трех рекомендательных документах НИИпромстроя.

На зашиту выносятся:

- принципы конструктивной целесообразности и эффективности безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных знаний и сооружений с конкретными предложениями по эффективным конструкциям таких фундаментов;

- результаты исследования напряженно-деформированного состояния системы "фундамент-основание" при работе безростверковых фундаментов в виде штампонабивных пирамидальных и комбинированных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки, закономерностей формирования их сопротивления и критериев достижения предельного состояния;

- методика использования данных статического зондирования для расчета таких фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;

- методы расчета фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;

- практические предложения по проектированию безростверковых свайных фундаментов, в том числе с использованием ПЭВМ.

- 6 -

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и публиковались в трудах международных конференций (Копенгаген, 1995; Минск, 1992; Саратов, 1994), всесоюзных и республиканских конференций и совещаний (Свердловск,1977,1983, 1987; Тюмень, 1977; Караганда, 1980; Чимкент, 1986; Сумы, 1986; Уфа, 1981, 1987; Одесса, 1990; Владивосток, 1986, 1991), а также десяти ежегодных научных конференций НИИпромстроя (Уфа, 1977-1986).

Содержание проведенных работ опубликовано в 80 статьях. Результаты исследований защипаны девятью авторскими свидетельствами на изобретения.

Гйгедрение в производство. Результаты исследований внедрялись в строительных организациях гг. Уфы, Стерлитамака, Челябинска, Омска, Тобольска. Построено более 40 промышленных объектов на безростверковых свайных фундаментах, проекты для которых разрабатывались с использованием выполненных исследований. Экономический эффект составил около 2 млн. руб. в ценах 1984 г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из 275 наименований и двух приложений. Она содержит 299 страниц машинописного текста, 107 рисунков на 88 страницах и 38 таблиц на 49 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы совершенствования конструктивных решений свайных фундаментов для каркасных зданий и сооружений. Решение ее предложено осуществить путем разработки рациональных и эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов и создания надежных инженерных методов их расчета, в том числе с использованием данных статического зондирования. Сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненных исследований.

В первой главе дан краткий анализ развития проблемы совершенствования конструктивных решений свайных фундаментов в промышленном строительстве и расчета одиночных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки. Показаны конструктивные несовершенства кустового свайного фундамента с монолитным ростверком и обоснована.целесообразность разработки конструктивных решений безростверковых свайных фундаментов как альтернативы кустовым свайным фундаментам с ростверком.

Отмечено, что за последние три десятилетия наибольший вклад в решение проблемы совершенствования конструкций фундаментов для

- 7 -

каркасных зданий и сооружений и методов расчета внесли а А. Аббасов, М. Ю. Абелев, А. А. Бартоломей, Б. Е Бахолдин, В. И. Берман, К Е Бойко, Б. В. Гончаров, А, А. Григорян, ЯД. Гильман, Н.М. Глотов, Б. И. Долматов, ЕЕ Жуков, Ю. Н Козаков, Ф. К Лапшин, Ю. Е Мурзенко, А. А. Ободовский, Е. М-Пэрлей, А. а Пилягин, П. А. Коновалов, Ю. Н. Платонов, В. С. Сажин, М. И. Смородинов, Ю. Г. Трофименков, Е М. Улицкий Е И. Феклин, А. Б. Фадеев, Е Б. Швец и др. Ими были выполнены экспериментально-теоретические исследования, которые могут явиться основой при разработке без-ростверковых свайных фундаментов для промышленного и гражданского строительства.

По результатам обобщения существующих конструкций свай и свайных фундаментов дана их классификация по конструктивным и технологическим признакам с точки зрения целесообразности использования в качестве безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений. Укрупненно эта классификация имеет следующий вид:

1) односвайные фундаменты из набивных свай, бетонируемых в скважинах, образуемых бурением с выемкой грунта ;

2) односвайные фундаменты из набивных свай, бетонируемых в скважинах, образуемых вьшгГамповкой без выемки грунта( по терминологии СНиП - набивные сваи в выштампованном ложе);

3) односвайные фундаменты из полых забивных железобетонных элементов, погружаемых молотом копра;

4) комбинированные свайные фундаменты, представляющие собой определенные конструктивные и технологические сочетания отдельных элементов, указанных в первых трех пунктах.

Рассмотрены и критически проанализированы основные теоретические схемы и методы расчета одиночных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки, разработанные и предложенные отечественными и зарубежными учеными.

Методы расчета одиночных свай на вертикальную нагрузку, основанные на теории предельного равновесия, разработаны Б. Бромсом, К. Терцаги, X. Хираямой, А. Весичем, Г. Г. Меергофом, М. А. Хемидом, Ы. Ф. Рандольфом, Е Г. Березанцевым, А. А. Григорян, ¡0. И. Ковалевым. В них рассматриваются различные схемы разрушения основания в предельном состоянии. Главной проблемой в методах расчета по.данной теории является отыскание и математическое описание областей предельного равновесия, а также факторов, обуславливающих разрушение основания.

Одним из наиболее перспективных и широко применяемых методов определения несувдэй способности основания свай является метод расче-

- 8 -

та с использованием данных статического зондирования. В разработку и развитие этого метода большой вклад внесли Б. В. Гончаров, Л.,Г. Мариупольский, Г. С. Колесник, Е Ф. Разоренов, И. Б. Рыжков, Ю. Г. Трофименков, ХВегеман, Р. Г. Мэергоф и др. Это направление представлено автором как наиболее перспективное, заслуживающее более широкого применения, в том числе для различных нестандартных конструктивных решений свай и свайных фундаментов.

Отдельно рассмотрены методы расчета свай переменного по длине сечения. Их разработке посвящены экспериментальные и теоретические исследования Б. а Бахолдина, А. А. Григорян, а К Го луб ко ва, Я И. Зиязова, Н. Л. Зоценко, Ф. К. Лапшина, А. П. Хамова, Е Б. Шахирева и др. Основной особенностью этих методов является учет нормального сопротивления грунта на боковой наклонной поверхности сваи.

Рассматривая и анализируя методы расчета свай на горизонтальную нагрузку, можно отметить, что в начальный период изучения этого вопроса - в 30-е годы - задача решалась на основе применения теории сыпучего тела (В. Г. Береванцев, А. Зархи, Б. Е Нешчкин, ЕЕЛалетин, Д. Е Кришн, Е И. Прокофьев, К. Хаяси, И. В. Яропольский и др.). Различие в формулах у равных авторов обуславливалось разными условиями потери устойчивости сваи в грунте. Затем по мэре накопления экспериментальных данных стало развиваться другое направление - использование теории местных деформаций с решением задачи о балке на упругом основании, на основе которой разработаны многочисленные практические методы расчета, применяемые до настоящего времени (А. С. Буслов, КС. Заври-ев, И. Я. Лучковский, Г. С. Лекумович, Е Е Миронов, Е Е Снитко, А. С. Строганов, И.ЕУрбан, Е Б,Шахирев, Ы. Т. Девиссон, Р.Мише, Г. Рамасами, X.Ж. Поулос и др.). Разнообразие этих методов расчета обусловлено различными подходами к определению основного расчетного параметра -коэффициента постели и закономерностей его изменения по глубине.

Одним из современных направлений развития методов расчета свай на горизонтальную нагрузку является учет нелинейности работы основания и материала свай. За рубежом для этого широко используется метод построения кривых "Р-У" (А. Варадаражан, Г. Джилмер, С. Кей, Р. Л. Кули-меер, С. К. Парик, М. Ф. Рандольф, Л 3. Риз). • По результатам экспериментальных и теоретических исследований, в том числе с использованием численных методов, получены табличные данные для различных видов грунтов и размеров свай, которые применяются для определения горизонтальных перемещений свай при различных горизонтальных нагрузках. В отечественной практике преобладает метод учета нелинейности путем

- 9 -

корректировки коэффициента постели в итерационных расчетах (А.С. Буслов, Л.III. Лундин и др.).

В целом по результатам обзора состояния проблемы и ее анализа можно заключить, что для зданий и сооружений с нагрузками на: колонну более 400-500 кН практически не применяются высокоэффективные конструкции безростверковых свайных фундаментов из свай-оболочек, набивных свай в выштампованных скважинах и комбинированные свайные фундаменты. Практически отсутствуют исследования и предложения по расчету свай специфической формы (например, пирамидальных) на вертикальную и горизонтальную нагрузки с использованием данных статического зондирования.

Решение этих вопросов применительно к безростверковым свайным фундаментам автор считает наиболее перспективным и требующим значительных экспериментальных и' теоретических исследований.

Во второй главе изложены результаты исследований по разработке и обоснованию эффективных конструктивных и технологических решений безростверковых свайных фундаментов каркасных зданий.и сооружений.

Основными требованиями-, предтявляемыми к безростверковым свайным фундаментам с позиции обеспечения их эффективности, являются:

- максимальное сближение показателей использования несущей способности грунта основания и материала фундамента при работе на вертикальную и горизонтальную нагрузки;

- отсутствие ростверка с сохранением конструктивных возможностей сопряжения фундамента с колонной и другими надфзтадаментными конструкциями.

С учетом этих положений были рассмотрены различные конструктивные решения свай и свайных фундаментов и технологии их устройства, а также сформулированы следующие конструктивно-технологические принципы рациональных безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений:

1) применение фундамента в виде одной сваи развитого поперечного сечения под колонну без промежуточного конструктивного элемента - ростверка;

2) применение фундамента в виде набивной сваи, бетонируемой в скважине, образуемой выштамповкой без выемки грунта, в том числе с уширенным основанием;

3) применение полых забивных железобетонных элементов;

4) применение свай переменного по длине сечения с наклонными гранями;

5) применение наклонных свай;

6) применение фундаментов в виде совокупности всех вышеперечисленных конструктивных и технологических приемов.

Исходя из этих принципов конструктивный ряд безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, обеспечивающий условия технической и экономической целесообразности, можно представить в следующем виде.

1. Односвайные фундаменты:

- набивные сваи с наклонными гранями (штампонабивные сваи пирамидальной формы), в том числе с уширением основания (рис. 1,а и б);

- забивные сваи-оболочки с открытым (рис. 1,в) или закрытым нижним концом (рис. 1, г).

2. Комбинированные свайные фундаменты, состоящие из нескольких конструктивных элементов, которые могут отличаться по способу устройства или по материалу:

- комбинированные сваи в виде сочетания пирамидальной набивной сваи с забиваемыми в дно скважины одной вертикальной (рис. 1,д) или несколькими наклонными сваями (рис. 1,е) (фундамент с монолитным под-¡юлонником);

- комбинированные сваи в виде сочетания погружаемого в грунт полого железобетонного элемента круглого, квадратного или прямоугольного сечения и забиваемых в его полость одной вертикальной призматической (рис. 1,ж), полой круглой (рис. 1,з) или нескольких наклонных призматических свай (рис. 1,и) (фундамент со сборно-монолитным подко-лонником).

Для оценки экономической эффективности этих фундаментов и выявления рациональной области их применения выполнено вариантное проектирование и определены технико-экономические показатели предлагаемых [инструкций фундаментов, а также кустовых свайных фундаментов с ростверком и столбчатых фундаментов на естественном основании.

Путем сравнения технико-экономических показателей .фундаментов, запроектированных для различных нагрузок и различных грунтовых условий, выявлено, что наибольшей эффективностью и широкой областью рационального применения обладают односвайные фундаменты из пирамидальных штампонабивных свай и комбинированные свайные фундаменты, которые и приняты для комплексных исследований.

Показаны технологические схемы устройства таких фундаментов и используемые для этого оборудование, оснастка и механизмы, проверенные и отработанные на практике.

X

-777

1-г

I I

LJ

"777-

ТТТ-А

' :т г с -ТТ7- -77Г 4 1

У--*-

, ' о 'ч• 5'

.■ТГГПЪ;

777"

Рис. 1. Конструктивные схемы беэростверковых свайных фундаментов:

1 - штампонабивная пи-

рамидальная свая;

2 - уширение;

3 - свая-оболочка;

4 - грунтовая пробка;

5 - бетонная пробка;

6 - заглушка;

7 - забивная свая;

8 - наклонная забивная

свая;

9 - полая круглая свая;

В третьей главе рассмотрены теоретические модели расчета основания безростверковых свайных фундаментов из пирамидальных штампона-бивных и комбинированных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также предпосылки экспериментальных исследований. Проанализировано решение а Г. Березанцева для конического штампа, заглубленного в связную среду, с позиции теории предельного равновесия. Показано направление совершенствования данной модели применительно к пирамидальным сваям и дано обоснование экспериментальных исследований по изучению напряженно-деформированного состояния системы "свая-основание" для разработки инженерного метода расчета, в том числе по данным статического зондирования. Для разработки метода расчета комбинированного свайного фундамента необходимо проверить гипотезу о возможности определения его несущей способности как суммы несущей способности всех его конструктивных элементов, а также экспериментально определить усилия в наклонных сваях в зависимости от нагрузки на фундамент и его осадки.

С целью выбора теоретической модели и разработки методов расчета пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку проанализировано решение для балки переменного сечения на упругом основании с коэффициентом постели, линейно увеличивающимся с глубиной. Задача сводится к интегрированию обыкновенного дифференциального уравнения с переменными коэффициентами четвертого порядка, имеющего вид

Ы. - горизонтальное перемещение сваи на произвольной глубине I; Вв - жесткость на изгиб начального сечения сваи; // - вертикальная нагрузка на сваю; К(е) - коэффициент постели грунта на глубине £ ; В, соответственно длина, размер- поперечного сечения верха

и низа сваи.

Решение уравнения (1) осуществляется путем разложения .искомой функции в ряд Маклорена, а общее решение представляется в виде

(1)

где

(2)

и. « 1Ц1Ц+Вд2 + + ,

- 13 -

где и.,,В., М..Ц. - начальные параметры, характеризующие значения прогиба, угла поворота, изгибающего момента и поперечной силы в начальном верхнем сечении сваи; , и.! и и.ч представляют собой четыре линейно независимых частных интеграла уравнения (1)..

Это решение не учитывает многоедойности основания, сопротивления трению грунта на боковой поверхности сваи, влияния уширения основания.

Показаны направления совершенствования расчетной схемы и получения более универсального решения.

Кроме того, важной задачей является разработка экспериментально обоснованной методики определения коэффициента постели и, в частности, с использованием данных статического зондирования, для чего необходимо провести специальные эксперименты в полевых условиях.

При расчете комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку дополнительной задачей является учет в расчетной схеме работы наклонных свай и оценка возникающих в них усилий при горизонтальном перемещении фундамента. Для решения этих задач необходимо экспериментально изучить напряженно-деформированное состояние системы "фундамент-основание" при действии горизонтальной нагрузки на комбинированный свайный фундамент в целом и на его элементы в отдельности.

В четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований работы пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагрузку.

С целью изучения особенностей напряженно-деформированного состояния основания вертикально нагруженных штампонабивных пирамидальных свай на 8 плошддках был проведен комплекс исследований, включавший статические испытания 8 пирамидальных штампов-сквадинооб-рааователёй и 14 опытных штампонабивных свай, в т. ч. 2 свай, оснащенных мессдозами для измерения контактных касательных и нормальных напряжений на боковой поверхности и под нижним концом. Конструкции мессдоз разработаны автором и защищены авторскими свидетельствами (авт. свид. СССР N 851131 и N 1067139). В месте изготовления опытных свай выполнялось статическое зондирование грунта устанойкой С-832, оснащенной зондом П типа, и отбирались образцы грунта для определения их физико-механических характеристик.

Анализ графиков "нагрузка-осадка" опытных свай, испытанных в глинистых грунтах от полутвердой до мягкопластичной консистенции,

- 14 -

показал, что во всех случаях имеет место резкий перелом кривой ("срыв" сваи) при осадках от 4 до 20 мм в зависимости от прочности грунта, т.е. для таких свай следует решать задачу определения несущей способности грунта основания.

По результатам измерений контактных напряжений при испытании тензосвай выявлены закономерности распределения по длине сваи касательных и нормальных напряжений на боковой поверхности и под нижним концом при различном уровне нагруяения вплоть до разрушения основания. По полученным данным построены графики зависимостей сопротивления основания сваи отдельно за счет сопротивления грунта трению и за счет нормального сопротивления грунта на боковой поверхности сваи, а также за счет сопротивления грунта под ее нижним концом от вертикальной нагрузки и соответствующей ей осадки.

Установлено, что максимальное сопротивление грунта под нижним концом сваи достигается несколько раньше^ чем на боковой поверхности. Выявлено, что вплоть до "срыва" сваи по грунту имеет место рост как касательных, так и нормальных напряжений, причем обе эти составляющие напряжений достигают максимальных значений одновременно в момент полного исчерпания сопротивления основания сваи, что является особенностью, присущей лишь пирамидальным сваям.

Сопоставление эпюр контактных напряжений, полученных по результатам измерений мессдозами на сваях и при зондировании, показало большое расхождение между их величинами. В верхней части сваи сопротивления грунта, полученные зондированием, выше фактических напряжений на ее боковой поверхности в 2-2,5 раза; с глубиной расхождение уменьшается, а вблизи нижнего конца сваи почти отсутствует.

Для изучения напряженно-деформированного состояния основания вертикально нагруженных комбинированных свайных фундаментов были проведены статические испытания б натурных опытных фундаментов с количеством наклонных свай в них о'г 2 до 4 и углом наклона от б до 16° оснащенных тензометрическими приборами. В.месте устройства фундаментов проведено также статическое зондирование.

По результатам испытаний получены закономерности деформирования элементов комбинированного свайного фундамента в зависимости от его осадки на различных стадиях приложения вертикальной нагрузки вплоть до разрушения. Так, до нагрузки 80-85% от предельной зависимость "нагрузка-осадка" близка к линейной, затем имеет место небольшой участок перехода в нелинейную фазу и далее при осадке 5-15 мм происходит. "срыв" фундамента, сопровождающийся провальной осадкой. В

- 15 -

процессе нагружения фундамента в наклонных сваях возникают изгибающее моменты (рис. 2), которые зависят линейно от осадки и угла наклона свай и не должны превышать предельно допустимых значений, а следовательно, являются наряду с предельной осадкой также критерием предельного состояния системы "фундамент-основание". Специальными поэлементными испытаниями фундаментов выявлено, что сумма предельных сопротивлений несущих элементов комбинированного свайного фундамента, испытанных в отдельности, меньше предельного сопротивления фундамента в целом, из чего следует, что несущую способность фундамента можно определять как сумму несущей способности всех его элементов с учетом дополнительного сопротивления наклонных свай, жестко защемленных в подколонник.

Рис.2. Эпюры изгибающих моментов в наклонных сваях вертикально нагруженного комбинированного свайного фундамента, полученные экспериментально: I - а/ =600 кН; 2 - /У =700 кН;

з - г/ =800 ка

Кроме того, установлено, что контактные касательные напряжения на боковой поверхности подколонника меньше сопротивления грунта на боковой поверхности зонда и соотношение этих величин аналогично полученному для пирамидальных штампонабивных свай. Сопротивление лее грунта под подошвой подколонника значительно ниже сопротивления под наконечником зонда, получаемого при статическом зондировании, что учтено при разработке метода расчета.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния системы "фундамент-основание" при действии на пирамидальные штампонабивные сваи и комбинированные свайные фундаменты горизонтальной нагрузки.

На 9 площадках в гг. Уфе и Челябинске, сложенных глинистыми грунтами, проведен комплекс экспериментальных исследований, включавший статические испытания горизонтальной нагрузкой 14 штампонабивных и 6 комбинированных свайных фундаментов, оснащенных тензоприборами. Четыре штампонабивные сваи испытаны на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок. В месте устройства опытных свай проводилось статическое зондирование.

Особенности напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженной пирамидальной сваи сечением 800x800/300x300 мм, длиной 3,6 м можно проследить по результатам статических испытаний (рис.3). Зависимость "нагрузка-перемещение" в целом нелинейна, а признаки наступления предельного состояния появляются при перемещении головы сваи 20 мм, что значительно больше, чем допускается для таких фундаментов при расчете по П предельному состоянию. Контактные напряжения (рис.4) растут равномерно вплоть до нагрузки, вызывающей незатухающие перемещения, а характер их распределения по длине сваи свидетельствует о том, что свая работает в грунте как "жесткая". Из этих результатов следует,что при построении расчетной схемы сваи за критерий предельного состояния следует принимать некоторую предельную величину деформации основания, т. е. следует решать задачу определения горизонтального перемещения сваи. Прочность сваи при этом считается обеспеченной при соответствующем ее армировании.

Специальными параллельными испытаниями свай на горизонтальную нагрузку и на совместное действие горизонтальной и вертикальной нагрузок (см. рис. 3) установлено, что вертикальная нагрузка увеличивает сопротивление сваи горизонтальной нагрузке на 24-38%, причем с повышением прочности грунтов влияние вертикальной нагрузки уменьшается.

На основании анализа эпюр касательных напряжений на боковой по- 17 -

Л7

/5

и.

пп

га ьо ее Н, кн

.1!

1лК \

ь Ь \*

Рис.3. Графики "нагрузка-перемещение" опытных пирамидальных иггампонабивных свай; 1 и 2 - без вертикальной нагрузки; 1в и 2в -- совместно с вертикальной нагрузкой

Д, о.2о о.1б о. а о.оъ ом о ом б.мпа

5

6 'Л*! Г

«А2

Рис. 4. Эпюры контактных нормальных напряжений на лобовой грани пирамидальной штампонабивной сваи, полученные экспериментально: 1 ... 6 - Н - 5,7 ... 65 кН

' - 18 - .

верхности сваи, полученных при обоих видах нагружения, установлено, что при действии на сваю вертикальной нагрузки увеличивается контактное касательное напряжение на боковых поверхностях сваи, параллельных действию горизонтальной нагрузки, что и обеспечивает увеличение сопротивления сваи горизонтальной нагрузке. Установлено также, что и без вертикальной нагрузки трение на боковой поверхности сваи является существенным фактором, формирующим сопротивление сваи горизонтальной нагрузке, и его следует учитывать в расчетной схеме.

Изучено влияние уширекия основания пирамидальной штампонабивной сваи ( из втрамбованного щебня) на сопротивление сваи горизонтальной нагрузке. Экспериментально установлено, что сопротивление горизонтальной нагрузке сваи с уширением больше, чем сваи без уширения, и чем больше объем втрамбованного щебня, тем выше это сопротивление.

Выявлено, что чем больше объем втрамбованного щебня, тем ближе к острию сваи расположена точка нулевых перемещений, т. е. уширение препятствует горизонтальному перемещению нижнего конца сваи, что необходимо учесть в расчетной схеме.

Изучение работы комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку показало их довольно высокую сопротивляемость этой нагрузке. Из графиков на рис.5 видно, что из пяти опытных фундаментов наименьшее предельное сопротивление - 200 кН (при горизонтальном перемещении 10 мм) имеет фундамент с размером сечения подколонника 1200x1000/1100x900 мм, длиной 2м с двумя наклонными сваями сечением 30x30 см, а наибольшее - 400 кН - фундамент с размером сечения подколонника 1400x1400/1200x1200 мм, длиной 2м с четырьмя наклонными сваями сечением 30x30 см, что значительно выше, чем у кустовых свайных фундаментов с таким же количеством свай. При этом горизонтальное перемещение подошвы подколонника, а следовательно, и жестко защемленных в нем голов свай не превышает 3-4 мм. При таких горизонтальных перемещениях сваи работают в упругой стадии, что является важным фактором при построении расчетной схемы фундамента.

Из графиков на рис. 5 видно, что зависимость "нагрузка-перемещение" всех опытных фундаментов нелинейна, и, очевидно, эта нелинейность в основном обуславливается нелинейностью деформаций грунта основания вокруг подколонника.

Экспериментально получены эпюры нормальных контактных напряжений на лобовой грани подколонника, а также эпюры изгибающих моментов в наклонных сваях для различных уровней нагружения, в том числе и для предельного значения горизонтальной нагрузки. Из анализа этих

- 19 -

т

200 300 Ш 500

Н«н

и

&

16 г*

пи

\

1 \ к.

N V- 3' л

Рис.5. Графики "нагрузка-перемещение"в уровне поверхности грунта" опытных комбинированных свайных фундаментов:

1 - подколенник 1200x1000/1100x900 мм, 2 сваи Ъ =7м, сЬ = 10°;

2 - подколонник 1400x1400/1200x1200 мм, 4 сваи В =9м, (к =16°;

3 - то же, ¿^ =8°; 4 - то же, ск, =12°;

5 - подколонник 1500x1200/1400x1100 мм, 4 сваи В = 10м, сЬ= 8е

данных следует, что за критерий предельного состояния горизонтально "нагруженного комбинированного свайного фундамента следует принимать как предельно допускаемое горизонтальное перемещение фундамента, так и прочность наклонных свай на изгиб.

В шестой главе изложены результаты разработки методов расчета пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагруэку. В основу расчетных схем положены результаты экспериментальных исследований.

Результаты статических испытаний 14 пирамидальных штампонабивных свай в глинистых грунтах различной консистенции показывают, что исчерпание сопротивления основания сваи (достижение предельного состояния) происходит при определенной нагрузке, вызывающей незатухающую осадку сваи. При этой нагрузке касательные и нормальные напряжения на боковой поверхности сваи и под ее нижним концом достигают максимальных значений, т.е. являются фактором, обеспечивающим предельное равновесие системы "свая-основание".

- 20 -

Примем следующие предпосылки:

- основание по глубине многослойное из IX-слоев;

- в пределах отдельных слоев расчетные сопротивления грунта и ^ постоянны;

- размер сечения сваи изменяется с глубиной линейно по следующему закону

сИе - с10 ~ 2 , (4)

где ^ =(с10- с1ц)/£.

Выделив в свае элементарный участок и спроектировав все силы на вертикальную ось £, из условия равновесия запишем сопротивление боковой поверхности на этом участке

I (

Проинтегрировав (5) в пределах 1-го слоя и просуммировав по (1 слоев с учетом сопротивления под нижним концом, равного !1НЛН, получим I]

р= ¡?А+ и^-д^пл ^ (6)

где , Ьц, определяются из выражений, которые являются

функцией расчетных характеристик ,

количества и толщины слоев в основании сваи; и.а - периметр сечения сваи в уровне поверхности грунта. Расчетные характеристики И.с и ^с находятся по данным статического зондирования с- введением переходных коэффициентов ^ц и ^

^с=^ - (?)

где с^ и ^ - сопротивления I - го слоя грунта под наконечником зонда и на его боковой поверхности (муфте трения). Значения ^ц получены по результатам обработки экспериментальных данных:

- при зондировании со стабилизацией перемещений зонда

^=ода + одТ; о,2б+ 0,73(1]; (8)

- при зондировании без стабилизации перемещений зонда

1- I т2 <9)

Кроме того, разработаны табличные значения £ и-£ в зависимости от показателя текучести грунта. По данным статических испытаний 13

- 21 -

свай на вдавливающую и выдергивающую нагрузки были скорректированы значения расчетных сопротивлений грунта в табл. 1 и 2 СНиП 2. 02.03-85. Путем сопоставления опытных данных с результатами расчетов получены поправочные коэффициенты сО^ и coj к значениям R. и ^, приведенным в таблицах СНиП.

Экспериментальные исследования работы комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагрузку показали, что предельное состояние системы "фундамент-основание" наступает при определенной нагрузке, вызывающей незатухающую осадку фундамента При этом следует учитывать обеспечение условия прочности материала наклонных свай, работающих на изгиб при осадке фундамента.

Примем следующие предпосылки.

1. Фундамент представляет собой заглубленный в уплотненный грунт массивный элемент (подколонник) с изменяющимся по глубине поперечным сечением, абсолютно жестким на сжатие с наклонными сваями конечной жесткости на изгиб, жестко защемленными в уровне его подош-

ЕЫ.

2. Сопротивление фундамента вертикальной нагрузке определяется как сумма сопротивлений по грунту основания подколонника и свай, а также дополнительного сопротивления ствола наклонных свай при их изгибе.

3. Сопротивление наклонных свай вертикальной нагрузке по грунту принимается как для вертикальных свай, исключая их взаимовлияние.

Тогда в общем виде сопротивление комбинированного свайного фундамента вертикальной нагрузке F(p можно записать как

F* = Fn + fir + Feu , (Ю)

где f}, - сопротивление подколонника по грунту основания;

Ftr - сопротивление сваи вертикальной нагрузке по грунту;

Ftw_ - дополнительное сопротивление наклонных свай за счет их изгиба при осадке .фундамента.

Сопротивление подколонника по грунту основания Fn определяется по формуле

Fn^n-OcKi^F«, (Ш

Здесь Лп и _ftc - площади поперечного сечения подошвы подколонника и сваи;

П. - количество свай;

F£ - сопротивление основания по боковой поверхности под- 22 -

колонника;

ук - коэффициент перехода от сопротивления под наконечником зонда к фактическому сопротивлению грунта под подошвой подколонника.

Сопротивление подколонника за счет сопротивления грунта по его боковой поверхности [-Б определяется аналогично пирамидальным шгампо-набивным сваям.

Значения коэффициента у?% получены по результатам сопоставления данных штамповых испытаний грунта в уровне подошвы подколонника для пяти фундаментов с данными статического зондирования. При расчетной осадке фундамента 16 мм для зондирования со стабилизацией ук.= 0,18-0,22, для зондирования без стабилизации уц = 0,12-0,16, для расчетной осадки 24 мм соответственно уц = 0,24-0,3 и #1= 0,17-0,23.

Дополнительное сопротивление фундамента за счет изгиба ствола наклонных свай при осадке фундамента определяется по формуле

•с"-" ¿¡.аё. ' (12)

где (К. - угол наклона сваи к вертикали;

скс - коэффициент деформации, определяемый по формулам, зависящим от расчетной схемы сваи и основания на горизонтальную нагрузку;

Мс - изгибающий момент в свае в месте ее заделки в подколенник.

По разработанным методам выполнены расчеты пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов с использованием данных статического зондирования. Сопоставление расчетных и опытных данных показало Их удовлетворительную сходимость, и эти методы можно рекомендовать для практического применения при проектировании.

Методы расчета, представленные в данной главе, реалиаованы на

ПЭВМ.

В седьмой главе рассмотрены вопросы разработки методов расчета пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку.

Расчет "жестких" свай

С учетом закономерностей, выявленных экспериментальными исследованиями, представим расчетную схему пирамидальной сваи, как пока- 23 -

вано на рис. 6, и примем следующие предпосылки.

1. Основание по глубине многослойное с постоянными в пределах каждого слоя коэффициентом постели и сопротивлением трению.

2. Размер стороны сечения сваи с|_г с глубиной изменяется по линейной зависимости (4).

3. Изменение горизонтального перемещения сваи 1Лг по глубине принимаем как'для "жесткого" стержня в упругой среде в виде

*»= ьф- и;2) ■ (13)

4. Давление грунта на единицу длины сваи пропорционально ее перемещению ц,г = ¿г и.г.

б. Сопротивление грунта трению, развивающееся в горизонтальном направлении на боковой поверхности сваи при действии горизонтальной нагрузки, определяется зависимостью £ - И V) , где Т - предельное сопротивление грунта сдвигу на контакте с боковой поверхностью сваи; \) - коэффициент, учитывающий действие вертикальной нагрузки.

Т

Рис. 6. Расчетная схема пирамидальной штампонабивной сваи на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом вертикальной нагрузки: а - схема сваи с нагрузками и реактивным сопротивлением грунта; б - схема действующ^ и реактивных сил 1-го участка сваи - 24 -

(15)

(16)

Из условия равновесия действующих и реактивных сил имеем

0.1= н0" о,г/ ; м^м^м + мГ. П4)

Поперечную силу и изгибающий момент в произвольном

сечении сваи г от сопротивления грунта 1-го слоя на глубине определим как Ь м Ъ'\ ("*1 \

После1интегрирования (15) и (16), суммирования по длине сваи до слоя в котором расположено сечение £, подстановки в (14) и преобразований получим

Мг !\Л0 - Наг + иЛЧФ« - *Ф„) + Ч£ ТГ (1Фа-Фи)+

'(17)

+ ?ф + ф

Приняв в (17) 0^=0 , 0 при [ , имеем систему

двух уравнений, из решения которой найдем формулы для определения И* И % : / ,\/

^(млгн.Ф^ф; (18)

где Ч^-гЯз , , С', 2. определяются по формулам как функции от , мощности и количества п слоев, на которое разбито основание.

Даны также частные случаи решения для различных законов изменения К и по глубине.

Отдельно дано решение для пирамидальной сваи с ушрением основания, отличающееся граничными условиями М=0 , й,-Р при £-С .

Для определения коэффициента постели К используется формула Горбунова-Посадова, скорректированная с учетом результатов экспериментов. При этом возможно использование как модуля деформации Е., так и сопротивления грунта под наконечником зонда с^ .

Расчет пирамидальных свай конечной жесткости с использованием МКЭ

Экспериментальными исследованиями было установлено, что при оп-

- 25 -

ределенных размерах и грунтовых условиях горизонтально нагруженная пирамидальная свая работает в грунте как свая конечной жесткости, поворачиваясь с изгибом.

Для решения задачи расчета пирамидальной сваи конечной жесткости в многослойном основании использован метод конечных элементов (МКЭ). Рассматривая пирамидальную сваю как гибкую балку на линейно-деформируемом основании, характеризуемом коэффициентом постели, сваю разбиваем на П конечных стержневых элементов. Выделенный конечный элемент имеет четыре степени свободы - перемещения Ы.^, и.г и углы поворота Ч^ , Ч^ концов элемента (рис.?). Дня пирамидальной сваи конечный элемент имеет изменяющееся по длине поперечное сечение, поэтому необходимо для такого случая вывести матрицу жесткости элемента. Для этого используем принцип Лагранжа о минимуме потенциальной энергии П системы "свая-грунт", который запишется в виде

п 6,1 ч. \ f¿w 14, cU - u.1(Ht+

-(jv\t+ f^w-i)^3 min,

а функцию прогибов примем в виде кубического полинома.

(19)

Элененп\

£

е,

гш,

рЖ)

,Х1

Рис. 7. Расчетная схема пирамидальной сваи на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом вертикальной нагрузки с использованием МКЭ: а - схема разбитой на конечные элементы сваи и эпюра коэффициента постели (сплошная линия - расчетная, пунктирная -- фактическая); б - то же, конечного элемента; в - размеры и привязка конечного элемента к координатным осям

- 26 -

Подставив в (19) значения ¿(г) и ^г)соответственно в виде

где (1 * аг , с1г , и проинтегрировав полученное выражение,

определим коэффициенты матрицы жесткости для стержневого элемента переменного по длине сечения

си. гя"')+мЧ (11ф'+^:

'''.''............... (21)

Здесь 2 - длина конечного элемента;

1Е ь - модуль упругости бетона;

коэффициенты влияния геометрических характеристик конечного элемента.

Решив задачу с использованием известных процедур МКЭ, получим перемещение 1А;. , угол поворота , изгибающий момент Меи поперечную силу в любом сечении сваи, в том числе и в уровне поверхности грунта. В решении учитывается действие вертикальной нагрузки.

Предложена методика учета нелинейности работы грунтового основания путем пересчета коэффициента постели на различных этапах заг-ружения и учета нелинейности работы материала ствола сваи путем пересчета жесткости сечений сваи на изгиб в зависимости от изгибающих моментов в свае, определенных в результате "линейного" расчета.

Расчет комбинированных свайных фундаментов

Поскольку подколонник можно рассматривать как абсолютно жесткий на изгиб стержень, задача расчета комбинированного свайного фундамента решается аналогично решению, полученному для "жестких" пирамидальных свай, но с учетом в расчетной схеме работы наклонных свай, жестко защемленных в подколонник. При этом для получения расчетных формул примем дополнительное условие:

- сваи жестко защемлены в подколонник в уровне его подошвы, а реакция голов свай от действия на них нагрузок определяется жест-костными характеристиками , р г, , рч . Тогда в соответствии с расчетной схемой можно записать изгибающий момент М пс и поперечную

- 27 -

силу йпс в подошве подколонника от реакции наклонных свай как

»^А X + ^ ИП^ - и, смсЦ* Уо 2„ со! )] -

т

Цпс г|[р,(иоСй4(1- - Ус Сп ШсЦ.-У, ск- +

г* \

где ^ - порядковый номер забивных свай в фундаменте; ГГ) - количество забивных свай в фундаменте;

^ - расстояние от оси ^ -й сваи до геометрического центра фундамента;

сЦ - угол наклона ^ -й сваи к вертикали.

Используя выражения (22) как граничные условия при 2. - Еп в выражениях (17), решая систему двух уравнений, получим формулы для определения горизонтального перемещения И0 и угла поворота фундамента в уровне поверхности грунта

= нд+м„в; ; нд - мД ,

где МФч-епФг)/г,

= -Й- ь. Л - Л ; ^ Ь+Л'2„- В1+ л/;

&}-Б1 + л/; фч= С*,

Д = - 12 а; Ь= ВЬ - 4сЦ ;

Здесь Д , Б и С - коэффициенты влияния, учитывающие сопротивление защемленных в подколоннике свай, а значения а,Ь, С и ¿.определяются по формулам как функции от коэффициента постели К., мощности и количества Пслоев, на которое разбито основание в пределах глубины заложения подколонника.

Значения -V рц можно определять в соответствии с решением Завриева К. С. по формулам, содержащим перемещения голов свай от действия единичных нагрузок. При этом учитывая, что в соответствии

- 28 -

(23)

(24)

(25)

с экспериментальными данными перемещения голов свай не превышают 3-4 мм, т. е. сваи работают в упругой стадии, коэффициент постели следует принимать увеличенным в два раза по сравнению с линейным расчетом, ориентированным на сходимость результатов расчетов с опытными данными при перемещении головы сваи 10 мм.

Учет нелинейности осуществляется путем пересчета коэффициента постели для подколонника и жесткости на изгиб наклонных свай аналогично расчету пирамидальных штампонабивных свай.

Дана оценка точности методов расчета в сопоставлении с опытными данными как для линейных, так и для нелинейных расчетов.

В восьмой главе дана общая методология проектирования безрост-верковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, а также изложен опыт практического применения результатов исследований.

Общая методология проектирования безростверковых свайных фундаментов базируется на следующих основных принципах.

1. Конструирование безростверковых свайных фундаментов осуществляется на основе выполнения следующих требований:

- обеспечение сопряжения фундаментов с надфундаментными конструкциями (колонны, фундаментные балки и др.);

- учет реально достижимой точности забивки фундаментных элементов (штампа, сваи-оболочки, забивного стакана);

- обеспечение несущей способности грунта основания на вертикальную вдавливающую нагрузку;

- обеспечение прочности железобетонных элементов при работе на вертикальную и горизонтальную нагрузки;

- недопущение величины горизонтальных деформаций фундаментов от действия горизонтальной нагрузки и изгибающего момента выше нормируемого уровня.

2. Проектирование безростверковых свайных фундаментов осуществляется преимущественно с использованием данных статического зондирования как при расчете на вертикальную, так и при расчете на горизонтальную нагрузки.

3. Расчет безростверковых свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент осуществляется с учетом нелинейности работы грунта основания и материала фундамента.

4. Конструкция безростверкового свайного фундамента должна быть оптимальной, что достигается использованием многовариантного проектирования с применением комплекса программ для ПЭВМ.

- 29 -

Даны конкретные предложения по проектированию фундаментов из штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов с применением разработанных автором программ для ПЭВМ.

Результаты исследований внедрены в проектной и строительной практике в ряде регионов России. Безростверковые свайные фундаменты из штампонабивных и комбинированных свай внедрены на 44 объектах промышленного и гражданского назначения. При этом экономический эффект составил около 2 млн. руб. в ценах 1984 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведен широкомасштабный комплекс экспериментально-теоретических исследований по разработке эффективных конструкций безрост-верковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, изучению особенностей их взаимодействия с грунтом основания при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок и разработке общей методологии их проектирования, что послужило основой для решения крупной народнохозяйственной задачи - повышения надежности, снижения стоимости, материалоемкости и трудоемкости нулевого цикла в промышленном и гражданском строительстве.

В диссертации общие выводы содержат 16 пунктов, основные из которых следующие.

1. Впервые сформулированы конструктивные принципы эффективных безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений и дана их классификация исходя из их конструктивных особенностей и способов устройства. Предложены эффективные конструкции безростверковых свайных фундаментов в виде штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов.

2. Экспериментально установлены закономерности распределения контактных касательных и нормальных напряжений на боковой поверхности пирамидальной штампонабивной сваи и под ее нижним концом. Получено также, что эти контактные напряжения меньше, чем соответствующие им параметры, полученные по данным статического зондирования, и расчет несущей способности таких свай по результатам статического зондирования возможен лишь с введением переходных коэффициентов от зонда к свае. •

3. Экспериментами на натурных фундаментах получены закономерности деформирования элементов комбинированного свайного фундамента в зависимости от его осадки на различных стадиях приложения верти- 30 -

калькой нагрузки вплоть до разрушения основания. Выявлено, что за критерий предельного состояния следует принимать как прочность грунтового основания, так и прочность наклонных свай на изгиб, при этом несущую способность фундамента по грунту можно определять как сумму несущей способности составляющих его элементов с учетом сопротивления ствола наклонных свай при их изгибе.

4. Получены новые экспериментальные данные, характеризующие напряженно-деформированное состояние горизонтально нагруженных пирамидальных штампонабивных свай. Установлено, что существенное влияние на сопротивление сваи горизонтальной нагрузке оказывают трение на боковой поверхности сваи, жесткость сваи на изгиб и уширение основания.

5. Изучены особенности напряженно-деформированного состояния системы "фундамент-основание" горизонтально нагруженных комбинированных свайных фундаментов и основные закономерности взаимодействия фундамента с грунтовым основанием. Установлено, что за критерий предельного состояния фундамента следует принимать некоторую допускаемую величину его горизонтального перемещения с учетом обеспечения прочности свай на изгиб.

6. На основании экспериментальных данных построены расчетные схемы вертикально нагруженных пирамидальных штампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов и разработаны методы расчета их несущей способности с использованием данных статического зондирования и по табличным значениям расчетных характеристик грунта. Получены коэффициенты перехода от параметров зондирования к расчетным характеристикам грунта, используемым в формулах.

7. Впервые разработаны теоретические положения универсального метода расчета пирамидальных штампонабивных свай в рамках теории местных деформаций на совместное действие горизонтальной, моментной и вертикальной нагрузок, в том числе с использованием МКЭ. Метод позволяет выполнять расчеты с учетом трения на боковой поверхности сваи, влияния ушпрения основания, телинейкости работы грунта основания и материала сваи, расчеты свай как по "жесткой", так и по "гибкой" схеме. Разработаны предложения по определению коэффициента постели с использованием данных статического зондирования.

8. Разработана методика расчета комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом нелинейности работы грунта вокруг подколонника и материала свай. Методика позволяет определять основные параметры напряженно-деформированного

- 31. -

состояния системы "фундамент-основание", включая горизонтальные перемещения элементов фундамента и усилия в подколоннике и сваях.

9. Сформулирована обшдя методология проектирования безроствер-ковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, заключающаяся в комплексном их расчете с использованием ПЭВМ на совместное действие вертикальной, горизонтальной и моментной нагрузок, использовании данных статического зондирования, учете нелинейности деформаций грунта и материала фундаментов, а также конструктивных особенностей проектируемого здания и технологических факторов возводимых фундаментов.

Результаты исследований внедрены в практику проектирования и строительства. Годовой экономический эффект составил около 2 млн. руб. в ценах 1984 г.

Содержание диссертации опубликовано в 80 работах, основные из которых следующие.

1. Опыт применения односвайных фундаментов под колонны //Энергетическое строительство.-1978.-N2.-С. 75-77 (соавтор Зиязов Я.Ш.).

2. Экспериментальные исследования набивных свай в выштампован-ном ложе на вертикальную нагрузку/ХОснования, фундаменты й механика грунтов.-1980. -N 5.-С. 12-14 (соавтор Зиязов Я.Е).

3. Некоторые вопросы исследования работы пирамидальных штампо-набивных свай//Тез. докл. Всесоюзной конференции.-Уфа, 1981.-С. 118-121.

4. Определение несущей способности набивных свай в выштампован-ном ложе//Основания, фундаменты и механика грунтов. -1984.-N2. -С. 12-15 (соавтор Зиязов Я.Ш.).

5. Расчет пирамидальных свай на совместное действие вертикальной, горизонтальной и моментной нагрузок//0снования, фундаменты и механика грунтов. -1987. -N1. -С. 12-14.

6. Односвайные фундаменты для каркасных зданий и сооруже-ний//Ускорение технического прогресса : Сб. науч. трудов. -Т. П. Методы проектирования эффективных конструкций оснований и фундаментов. -1987. -С. 4-6 (соавторы Колесник Г. С., Бабичев 3. В.)

7. Односвайные фундаменты под опоры трубопроводов//Энергетк-ческое строительство.- 1988.-N10.-С. 19-21 (соавторы Галеев Р.Г. и Шеменков fü М.).

8. К расчету комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку//Расчет и проектирование свай и свайных фундаментов : Тр. П Всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фун-даментостроения в СССР". -Пермь, 1990. -С. 19-21.

- 32 -

9. Экспериментальные исследования комбинированных свайных фундаментов повышенной несущей способности//Расчет и проектирование свай и свайных фундаментов :Тр. П Всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР".-Пермь, 1990. -С. 23-25 (соавтор Каранаев М. 3.).

10. Экспериментальные исследования и расчет пространственных связевых опор из свай-колонн //Расчет и проектирование свей и свайных фундаментов : Тр. П Всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР.-Пермь, 1990. -С.35-37 (соавтор Хурматуллин М. Н.).

11. Комбинированные свайные фундаменты под колонны каркасных зданий и сооружйний//Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности: Материалы Ш Всесоюзного совещания-семинара.-Владивосток, 1991. -С. 191-195 (соавтор Каранаев М. 3.).

12. Исследования работы комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагрузкуУ/Основания, фундаменты и механика грунтов. -1991. -N6. -С. 15-18 (соавтор Каранаев М. 3.).

13. Экспериментальное обоснование метода расчета комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку//Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности: Материалы Ш Всесоюзного совещения-семинара. - Владивосток, 1991.-С. 12-14 (соавтор Шахмаева Р. 3.).

14. Исследование комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагрузку//Проблемы свайного фундаментостроения: Тр. Ш Международной конференции.-Пермь, 1992.-Ч. 1.-С. 23-26 (соавтор Каранаев М.Э.).

15. Расчет фундаментов в вытрамбованных котлованах на действие вертикальной нагрузки по данным статического зондирования грун-тов//Проблемы свайного фундаментостроения: Тр. Ш Международной конференции.-Пермь, 1992.-4.1.-С. 118-121 (соавторы Миткина Г. В. , Шэменков

пи.).

16. Исследование и разработка метода расчета горизонтально нагруженных свай в пробитых скважинах//Проблемы свайного фундаментостроения: Тр. Ш Международной конференции.-Пермь, 1992. -41. -С. 121-125 (соавтор Шеменков Ю. М.).

17. Программный комплекс автоматизированного проектирования фундаментов в Еиде кустов свай//Проблемы свайного фундаментостроения: Тр. Ш Международной конференции.- -Пермь, 1992. - Ч. 2.-С. 9-11

- 33 -

(соавторы Шахмаева Р. 3., Хатмуллина Т. А.).

18. Расчет свай переменного сечения на совместное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок методом конечных элементов //Сб.трудов IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. -Пермь, 1994. -С. 76-81.

19. Оценка сопротивления буронабивных свай на вертикальную нагрузку по данным статического зондирования //Сб. трудов IV Международт ной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. -Пермь, 1994.-С. 162-165 (соавтор Миткина Г. В.).

20. Account of structure and bedding interaction in carzt formation// Proc. XI EC European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Copenhagen, May.-1995.-pp. 33-38 (Co-Authar N. Gotman).

21. Прибор для измерения нормального давления и силы трения грунта: А. с. 851131 СССР, 1981,-Ы.КлЗ. 1/22 '(соавтор Зиязов ЯШ.).

22. Прибор для измерения нормального давления и силы трения грунта: А. с. 1067139 СССР, 1984.-М. Е 02 Д 1/00 (соавтор Зиязов ЯШ.).

23. Устройство для образования скважин в грунте:" А. с. 924243 СССР, М. КлЗ. Е 02 Д 3/054 (соавторы: Зиязов ЯШ., Малафеев Е. Д.).

24. Устройство для забивки полых элементов: А. с. 1763575 СССР, Е. 02 Д 7/02 (соавтор Шэменков КХЫ.).

25. Устройство для погружения сборных свай-оболочек: А. с. 1411377 СССР, Е 02 Д 7/02 (соавтор Шэменков Ю. М.).

26. Фундамент для зданий, возводимых в сейсмических районах: А. с. 9586000 СССР, ЕКл. 3 Е 02 Д 27/34 (соавторы: Бабичев 3. В. , Зиязов Я.Ш.).

27. Устройство для образования скважин в грунте: А. с. 926216 СССР, Ы.Кл. 3 Е 21 Е7/28 (соавтор Зиязов ROL).

28. Устройство для образования скважин в грунте под сваи: А. с. 981560 СССР, М.КЛ. 3 Е 21 В 7/24 (соавтор Зиязов Я. ÍIL ).

29. фундамент под спаренные колонны. Патент РФ 1784058, Е 02 Д 27/42 (соавторы: Мударисов М. К., Полишко Й. IL ).