автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическое развитие методов оптимального проектирования свайных фундаментов с учетом их надежности

. м** 0

^ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Кульчицкий Георгий Болеславович

ЭКСПЕРИ-ШИТАЛЬНО-ТЕОРЁТИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНЫХ «УВДАМЕНЮВ С УЧЕТОМ ИХ НАДЕЖНОСТИ

05.23.02. Основания и фундаменты

Автореферат диссертации в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

ПЕРМЬ 1994

Р«бо-»* выполнен* в няучно-ксследовл^ельскоы инст^т^е оснований и подэеыны* -сооружений им.Н.М.Герсевяновл (1-я чяс-ь) и 3*пядно-Сибирском зон»льном няучно-исследо8я-"ельском и проектном инс""и"уе типового и экспераыен",яльного проек^ировяняя жильг* и общественны-»- зданий (2-я ч»с-"ь).

О^шци^льиие оппоненты:

1. Доктор тегн.няук,профессор Гончаров Б.В.

2. Доктор теги.h«vk,профессор Саяин B.C.

3. Доктор тещ.h*vk,профессор Тишшев С.А.

Ведшее предприятие: Фундаментпроек* (Цосквя)

Злар!"» состоится 21 октября 1994 г. ня .элседянии слецияли-омовртого сове^р Д 063.66.01 Пермского государственного -»очгни-ческого vKtBepcKme™»,

614600, г.Пермь, Комсомольский пр., 29«

С яБ^ореферА-ом диссер^^ци! ыолсно ознакомиться по ядресу Ковсомолъский пр., 29*.

Ав^ореферя" рязосляи " и/с>л# 1994 г.

Ученый секре-ярь спеиц»лизировякного сове^я док-ор. ^е-щ. няук, профессор

Г.Б.Кгзнецов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Свайные фундаменты широко распространенный тип фундаментов, особенно в неблагоприятных геолого-климатических условиях. Обладая рядом технологических преимуществ (минимальным объемом земляных работ, высоким уровнем механизации, слабой чувствительностью к климатическим факторам) свайные фундаменты в общем случав дороже фундаментов на естественном основании. Снижению их стоимости при сохранении потребительских качеств и повышении эффективности были посвящены исследования многих ученых. Большой вклад в решение этой задачи сделан работами Аббасова П.А.,Абелева Ы.Ю..Бартоломея A.A.« Бахолдина Б.В..Голубкова В.Н.«Гончарова Б.В..Григорян A.A. „Цалмато-ва Б.И..Ильичева В.А..Лапшина Ф.К..Луга A.A..Нарбута P.M..Новожилова Г.Ф..Сажина В.С.,Феклина В.Н..Швеца В.Б. и многих других .

Исследования выполнялись главным образом по двум направлениям: I) исследования конструкций свай и фундаментов путем моделирования их работы в натурных- и лабораторных условиях (в т.ч. методом фотоуп-ругосги) с целью изучения механики их функционирования при различных силовых воздействиях; и 2) исследования грунтов в основании свайных фундаментов как среда, формирующей несущую способность свай. Особое место здесь занимают исследования взаимодействия грунта и свай под влиянием геолого-климатических и техногенных факторов: пучения грунта при промерзании, просадки и набухания при замачивании, тиксотро-пии при погружении свай и последующем "отдыхе".

В своей научно-практической деятельности автору доклада довелось принимать участие в исследовании свайных фундаментов по обеим направлениям. Результатам этой работы, объединенным единой целевой направленностью - развитию методов расчета, конструирования и возведения свайных фундаментов в различных грунтовых условиях с целью оптимизации проектных решений и методов строительства, направленных на снижение стоимости свайных фундаментов при одновременном обеспечении надежности, и посвящена настоящая диссертация.

Вопросам обеспечения надежности строительных конструкций вообще и фундаментов в частности, в связи с переходом в 1955 г. на проектирование по предельным состояниям, уделялось большое внимание как в нашей странр, так и за рубежом. Общеизвестны фундаментальные исследования Гнеденко Б.В. .Болотина В.В. .Рканициня А.Р. .Ъшашева С.А. по разработке теории надежности.. Большой вклад в решение конкретных за-

^ Здесь указаны руководители научных направлений. Перечислить фамилии их учеников не позволяет объем настоящего доклада, за что автоп приносит свои извинения. *

дач оценки надежности отдельных конструкций, зданий, сооружений, фундаментов и грунтовых оснований сделан работами Гвоздева A.A..Ермолаева H.H..Колотолкина Б.М. .Краковского М.Б.,Кудзиса А.П..Михеева В.В., Пилюгина JI.II..Райэера В.Д..Ройтмаиа А.Г..Складаева H.H., Швеца В.Б., Шейнина В.И.и многих других (см.сноску на стр.3).

Наибольшее количество исследований по проблеме надежности фундаментов и грунтовых оснований посвящено обоснованию на основе методов теории вероятностей и матстатистики достоверности значений расчетных характеристик грунтов и нагрузок. Этим однако не исчерпывается проблема расчета надежности фундаментов как вероятности безотказного их функционирования (формальная процедура такого расчета вообще пока отсутствует) . Между тем такой расчет необходим как логическое.завершение метода проектирования по предельным состояниям. Дело в том, что при решении основных неравенств предельных состояний никогда не достигается условие приближения нагрузок и несущей способности (или предельных деформаций) из-за внесения преднамеренных запасов разработчиками, но и по причине принятого метода определения расчетных значений: нагружающих факторов - с плюсовым доверительным интервалом, а факторов сопротивления нагрузкам - с отрицательным. Как показано в настоящем докладе, вероятность наступления предельного состояния при таком проектировании составляет величину 3,8*и является, как говорят математики, практически невероятным событием.

В тех же случаях, когда предельное состояние действительно может быть достигнуто, необходимым условием для его обоснования должен служить расчет надежности безотказного функционирования. Заметим,что без такого расчета не возможно решение задачи минимизации затрат на строительство фундаментов, особенно в случае использования новых конструктивных решений. Необходимость хотя бы частичного решения этого вопроса и составила одну из задач настоящего доклада.

Цель работы обусловлена,таким образом,дальнейшим развитием метода проектирования свайных фундаментов, направленным на оптимизацию проектных решений путем:

- разработки эффективных конструкций свай, обеспечивающих снижение расхода материалов на фундамент за счет учета негативных явлений сопротивления грунта погружению свай» и при их работе в грунте;

- разработки метода минимизации запаса работоспособности свайного фундамента и расчета его надежности, адекватно уровню надежности надфундаментных сооружений.

Достижение цели осуществлено на основе экспериментально-теоретических исследований, выполненных по следующим направлениям:

I. Экспериментальные исследования физики процесса функционирова-

ния свай при развитии неблагоприятных процессов и явлений со стороны грунта (тиксотропного разупрочнения, пучения при промерзании, просадки при замачивании, сейсмических колебаний), и разработка конструкций свай, устойчивых к этим воздействиям.

2. Экспериментально-теоретические исследования грунтов как среды функционирования свай, и выявление региональных особенностей,обу-словливающих негативные воздействия на сваи.

3. Теоретический анализ метода проектирования свай по предельным состояниям, уточнение целевой функции проектирования, разработка статистического метода решения целевой функции и расчета надежности системы "свайный фундамент - основание" (СФО).

Научная новизна работы состоит в рассмотрении процесса проектирования свайных фундаментов с некоторых единых позиций, позволивших связать между собой задачи оптимального и надежностного проектирования; в разработке статистического метода управления параметрами системы СФО и метода расчета надежности ее функционирования.

Такой подход к проектированию свайных фундаментов, осуществленный впервые, позволил вскрыть существенные технико-экономические резервы в проектных решениях и сбалансировать такие противоречивые характеристики эффективности как стоимость и надежность.

На защиту автором выносятся:-

1. Адаптационный принцип конструирования эффективных свай в условиях: проявления негативных воздействий со стороны грунта, вклвчаю-

щий: - разработку конструкции сваи, устойчивой к морозному пучению и обладающей повышенной несущей способностью в слабых грунтах;

- разработку конструкции сваи, снижающей влияние негативного трения оседающего при замачивании (просадочного) грунта;

- разработку конструкции свайного фундамента, снижающего? сейсмические воздействия на сваи со стороны грунта,и динамические колебания здания при сильных землетрясениях;

- уточнение методики проектирования свай с учетом тиксотропного разупрочнения грунта;

- уточнение региональных характеристик грунтов, используемых при расчете несущей способности свай (в г.ч. на сейсмические воздействия) ;

- усовершенствование технологии строительства буронабивных свай .в просадочных грунтах. ^

2. Вероятностно-статистический метод управления качеством проектирования свайных фундаментов как елейных технические систем, направленный на оптимизацию проектных решений и включающий:

- развитие метода статистической оптимизации расчетных парамет-

ров с учетом критерия надежности;

- разработку метода расчета надежности системы "свайный фундамент - основание" и минимизации стоимости ее строительства.

Личный вклад автора. Опубликованные работы автора основывались на результатах экспериментально-теоретических исследований, выполненных при участии или под руководством автора в период его работы в городах Нижневартовске, Душанбе, Сургуте в 1970 - 90 гг.

Основные теоретические и практические научные положения разработаны автором лично. Отдельные вопросы, а также пути практической реализации научных разработок рассматривались в соавторстве, что отмечено в прилагаемом списке публикаций.

Практические внедрения. Результаты исследований включены в следующие нормативные и методические документы:

1. Рекомендации по проектированию оснований нефтепромысловых сооружений на заторфованных территориях Среднего Приобья [3].

2. Указания по проектированию оснований и фундаментов жилых и гражданских зданий,возводимых на заторфованных территориях [73.

3. Технические условия на сваи забивные железобетонные ромбовидные [14, 473.

4. Рекомендации по определению несущей способности свай методами полевых испытаний в Т11ксотропных грунтах Тюменской области.[ 15],

5. Рекомендации по устройству' оснований и фундаментов сооружений Тобольского Нефтехимического комплекса [231.

6. Методическое пособие по проектированию буронабивных свай на просадочных грунтах Средней Азии 1241.

7. Руководство по проектированию свайных фундаментов С 3X1.

8. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию и проектированию свайных фундаментов на намывных территориях Среднего Приобья [46].

9. Методика проектирования свайных фундаментов в тиксотропных грунтах 'Воменской области [50].

Эти документы используются при проектировании свайных фундаментов различных зданий и сооружений в Тюменской области и Средаей Азии (Таджикистан, Туркменистан).,

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на следующих совещаниях и конференциях:

- восьмом Всесоюзном совещании по закреплению и уплотнению грунтов в строительстве. Киев, 1974;

- научно-практической конференции НТО Стройиндустрии по проблемам устройства оснований и фундаментов Тобольского нефтехимического комплекса. Тобольск, 1976.

- научно-практической конференции НТО Стройиндустрии по проблемам строительства Тобольского НХК, Тобольск, 1977;

- научно-практической конференции НТО Стройиндустрии по проектированию и строительству сооружений на намывных грунтах,Тюмень,1984;

- научно-техническом совещании НТО Стройиндустрии по внедрению новой техники в фундаментостроении на Урале, Свердловск, 1986;

- научно-практической конференции НТО Стройиндустрии, Госстроя СССР и АН СССР по повышению эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири,"Помень, 1987;

- втором Всесоюзном совещании по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов из свай заводского изготовления, Владивосток, 1988;

- второй Всесоюзной конференции по проблемам свайного фундамен-тостроения в СССР, Одесса, 1990;

- пятой региональной конференции "Геотехника Поволжья - У", Тольятти, 1992;

- третьей Международной конференции по проблемам свайного фунда-ментостроения, Минск, 1992.

Публикации. Список основных научных работ, представленных к защите настоящего доклада, содержит 61 наименование, в том числе 2 авторских свидетельства.

Структура работы. Научный доклад в соответствии с защищаемыми положениями состоит из двух частей, каждая из которых состоит из пяти разделов, выводов по каждой части, заключения и списка публикаций. Научные исследования, послужившие основой настоящего доклада, выполнены в секторе строительства на заторфованных грунтах НИИОСП им.Н.М. Ререеванова в г.Нижневартовска Тюменской обл.; в Среднеазиатском филиале НИИОСП им.Н.М.Герсеванова в г.Душанбе; в ЗапСибЗНИИЭП Госстроя России в г.Сургуте Тюменской обл.

Автор выражает глубокую признательность А.А.Бартоломею за внимание, поддержку и полезные советы, оказанные при подготовке настоящего доклада.

Автор выражает благодарность М.Ю.Абелеву, В.М.Лгапкину, Б.З.Еа-солдину, П.А.Коновалову, Б.Й.флачкину, С.Я.Кушниру, Е.А.Сорочану, ЬР.Ставницеру, С;Л.Тимашеву, З.Б.Швецу за ценные советы, высказан-ше при обсуждении с ними диссертационных исследований ¡автора.

Автор благодарит своих сотрудников и коллег по специальности из шогих учебных, научных и производственных организаций, критические ¡амечания и советы которых способствовали работе над диссертацией.

I. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА .КОНСТРУИРОВАНИЯ И ВОЗВЕЩЕНИЯ СВАЙ В РАЗЛИЧНЫХ ИНЖЕНЕШО-ГЕОЛОгаЧЕОТХ УСЛОВИЯХ

I.I. Разработка конструкции забивной сваи, устойчивой в пучинистых при промерзании грунтах.

Большинство способов обеспечения устойчивости свай в пучинистых при промерзании грунтах основано на предотвращении смерзания грунта с боковой поверхностью сваи и снижении коэффициента трения грунта по материалу сваи. Для этого используются пластичные смазки ствола сваи, или покрытие сваи составами, образующими гладкую поверхность (эпоксидные смолы). Автором диссертации использован конструктивный способ, основанный на использовании объемных сил расширения грунта при промерзании для заанкеривания сваи. Для этого боковая поверхность сваи в границах промерзания грунта, выполнена наклонной так, что равнодействующая нормальных сил пучения направлена наклонно к нижнему концу сваи. Поскольку нормальные силы пучения существенно выше касательных, выпучивания сваи не происходит.

Впервые идея придания наклона внешней боковой поверхности фундамента с целью повышения его устойчивости в промерзающих грунтах была высказана еще в 30-х годах проф. A.B. Паталеевым, однако своего воплощения в конкретных конструкциях она не получила. Следует отметить, что в 1972 г. для фундаментов малоэтажных зданий были предложены конструкции забивных блоков пирамидальной формы высотой 1,5 -2 м, сечением нижнего основания 50 х 50 см, верхнего 20 х 20 см (М.Г. Ефремов, П.А. Коновалов, Л.А. Нудельман). Но такая форма блока определялась экономией материала, а не обеспечением его устойчивости. Более того, пазухи между блоком и грунтом предлагалось заполнять непучинистым при промерзании грунтом, исключающим его смерзание с боковой поверхностью блока. Эти блоки не получили широкого распространения из-за нетехнологичности их изготовления, хотя и обеспечивали более чем трехкратную экономив бетона по сравнению с ленточными фундаментами.

Занимаясь в начале 70-х годов исследованиями свайных фундаментов в г. Нижневартовске тюменской области, автор столкнулся с проблемой обеспечения устойчивочти свай в пучинистых при промерзании грунтах, тогда и была использована идея A.B. Паталеева в предложенной конструкции плоской ромбовидной сваи, устойчивой против выпучивания [9,11] , Придание наклона лишь двум боковым граням сваи решало вопрос технологичности ее изготовления даже в условиях строитель-

ной площадки (именно так и были сделаны первые ромбовидные сваи).-Армирование ромбовидной сваи принималось адекватно стандартным сваям по ГОСТ 19804.1, что не создавало дополнительных трудностей в заводских условиях.

Конструкция ромбовидной сваи разработана в результате теоретического анализа сил , действующих на сваю в промерзающем грунте .Рассмотрим условие устойчивости сваи в виде неравенства (рис. I):

Г.а.Л.

а.гм. ц,Кш.

г Г Л ек

(I)

где Т„< =0,9; .Л - расчетное сопротивление талого грунта

на поверхности вертикальных граней нижнего участка сваи площадью д давление 0г нормальной составляющей сил объемно-

го расширения грунта при замерзании на поверхность наклонных граней верхнего участка сваи площадью А Н.Г.В». _ удельные касательные составляющие сил объемного расширения грунта, действующие на всю боковую поверхность верхнего участку сваи площадью А.

Из схемы действия сил видно, что выпучивание сваи касатель-

но

V

ними Г^ь силами может быть ней-

трализовано нормальными при направлении равнодействующей ».г.*. навстречу касательным си-

лам. Эффективность нейтрализации, очевидно, будет пропорциональна углу р наклона граней сваи, воспринимающих действие Рис. I. сил сг,„ , достигая минимального

эффекта при ц = 0, а максимального - при р * 90°. Следовательно, давление/"^ от сил б^, на наклонную грань сваи будет пропорционально синусу угла наклона р , то есть:

< Ген * (2)

, I

где ¿с - длина верхнего участка сваи, определяемая по формуле:

(3)

здесь = 0,8 - коэффициент неравномерности промерзания грунта; - нормативная глубина промерзания.

В дальнейшем К,А. Хамидуллиным под руководством автора и проф. П.А. Коновалова были выполнены экспериментальные исследования устой-

чивости ромбовидных свай в дучигасаых грунтах, полностью подтвердившие справедливость рассмотренной схемы действия сил пучения на сваю и метода расчета ее устойчивости.

Ромбовидные сваи нашли применение в "роменской области на строительстве тобольского нефтехимического комбината, в жилшцно-граж-данском строительстве в г.г. Нижневартовске и Сургуте, на строительстве транспортных сооружений железной дороги Сургут - Новый Уренгой. Для изготовления свай в заводских условиях дважды выпускались технические условия: ТУ 65-163-76 и tJ 102-526-89, содержащие не только требования к конструкции ромбовидных свай, но и методику расчета их несущей способности и устойчивости.

Конструкция сваи и достигнутые успехи ее внедрения на тобольском нефтехимическом комбинате были отмечены медалями ВДНХ (автор конструкции - серебрянной) и премией Министерства промышленного строительства СССР.

1.2. Разработка конструкции забивной сваи, устойчивой в просадочных грунтах Л типа.

Проблема устройства оснований фундаментов на просадочных грунтах П типа едва ли не самая сложная. В решение этой проблемы большой вклад сделан Ю.М. Абелевым, Ц.Ю. Абелевым, A.A. Григорян, В.И. Круговым, A.A. Мустафаевым и многими другими. Проблема эта значительно усложняется при залегащш просадочных грунтов П типа в сейсмических районах. Исходя из обеспечения надежности зданий в этих районах (особенно высотой более 5 этажей) предпочтительными фундаментами для них являются свайные, что было подтверждено исследованиями Д.Д. Баркана, В.А. Ильичева, Л.Р. Стгвиицера и их учениками.

Использование свай в просадочных грунтах П типа наталкивается на одно отрицательное явление, которое существенно снижает эффективность их применения. Явление получило название негативного или нагружающего трения, которое проявляется на боковой поверхности свай в момент просадки при замачивании окружающего грунта. Это трение до двух и более раз снижает несущую способность свай, что требует соответственного увеличения их количества.

Занимаясь в 1975-80г.г. исследованиями свайных фундаментов в просадочных грунтах Средней Азии, автором была предложена конструкция забивной сваи (рис. 2), которая практически не подвержена влиянию негативного трения. При разработке этой сваи были использованы результаты исследований: природы просадочных явлений в лессовых

грунтах (В.П. Ананьев, Н.Я. Денисов, A.A. Кириллов и др.), характера уплотнения этих грунтов при забивке свай, в частности, образование так называемой "грунтовой рубашки" (D.M. Абелев, A.A. Григорян), и особенностей формирования связей между минеральными частицами грунта и сваей за счет образования адгезионного слоя грунта с повышенной поверхностной энергией минеральных частиц (В.В. Охотин, И.А. Тйтюнов). Установлено, что просадочные деформации в лессовых грунтах происходят при достижении влажности предела раскатывания, когда грунт еще не достиг состояния текучести. При этом мезду сваей и грунтом возникают адгезионные связи, обусловленные силовым полем мевду диполями адсорбированной на частицах грунта воды и поверхностью сваи. Образовавшийся контакт между ними оказывается настолько прочным, что оседающий грунт перемещается не по границе раздела грунт-свая, а по грунту. Величина усилия, передающаяся при этом на сваю, составляет от 10 до 20 кН/м2 поверхности сваи, вызывая ее перемещение, если несущая способность нижележащих слоев грунта окажется недостаточной.

Если мевду грунтом и сваей образовать воздушную прослойку толщиной даже в один молекулярный слой газов - адгезионные связи не возникают. Этот эффект и использован в предложенной конструкции сваи, в которой в пределах слоя грунта просадочного от собственного веса, боковая поверхность сваи отодвинута от грунта, за счет уменьшения поперечного сечения сваи. В опытной конструкции сваи это уменьшение было выполнено на 12 мм - по 6 мм с каадой стороны - за счет утолщения стенок металлической формы.

Образовавшаяся в грунте при прохождении нижнего конца сваи грунтовая рубашка имела общую толщину порядка 5 см. При этом плотность грунта толщиной около 6 мм, непосредственно прилегающая к стволу сваи, составила 1,89 - 1,93 г/смЗ (при значении природной плотности грунта 1,46 - 1,52 г/смЗ). В пределах уменьшенного сочо-ния сваи эта. рубашва образовала достаточно прочную сквгукину, стенки которой размокли лишь при достижении окружапцим грунтом текучей консистенции, то есть после прохождения про садочных деформаций. Интересно отметить, что положение опытной сваи длиной 10 м при этом не изменилось, в то время как такой же длины контрольная свая (без уменьшения сечения) опустилась на 5 см при общей просадке окружаю-

TfTTTTTJ-? I/>" гп*

\

р ± р 5

V.

Рис. 2.

V*

Л\

■Л™ iO,/

щего грунта 18 см (сваи на 1,2 ы входили в непросадочный грунт).

На конструкцию сваи получено авторское свидетельство № 945288. К сожалению внедрение сваи на строительстве каких-либо объектов осуществить не удалось.

1.3. Развитие методов строительства буронабивных свай-стоек в лессовых грунтах Таджикистана.

В середине 70-х годов в Душанбе началось строительство зданий высотой 9-12 этажей на буронабивных сваях-стойках-диаметром 1м и длиной от 10 до 30 м. Принятый в то время в нормах метод бетонирования таких свай предписывал заполнение скважин бетоном рпроизво-дить при помощи вертикально перемещаемой трубы (ВПт)» а для предотвращения обрушения грунта в стенках скважины - использовать подвижную многосекционную опалубку. Все это превращало бетонирование в длительный и изнурительный процесс. Научное обоснование метода ВПТ . базируется на двух аргументах: I) предотвращение расслоения бетонной смеси, сбрасываемой с большой высоты, и 2) предотвращение размывания бетонной смеси при бетонировании под водой.

Инженерно-геологические условия Душанбе, как и большинства предгорных районов Средней Азии [30 ] , характеризуются наличием лессовидных глинистых грунтов различной мощности, подстилаемых галечниками. Естественные грунтовые воды как правило расположены в галечниках, поэтому опасности размывания бетонной смеси, заполняющей скважину, нет. Что же касается обрушения грунта в скважине,то это явление не бы;.о обнаружено в течение почти 18-ти месячного наблюдения за двумя скважинами глубиной 12 и 20 м, подтвердив еще раз устойчивость лессовидных глинистых грунтов в вертикальных откосах.

Явление расслоения бетонной смеси, сбрасываемой с большой высоты, своими корнями уходит в те времена, когда эта смесь готовилась не из искусственного фракционированного'щебня» а из неоднородных галечников, такая смесь, используемая для бетонирования конструкций, насыщенных арматурой (например, плотин) действительно могла расслоиться. Ничего этого нет при бетонировании буронабивных свай, поэтому автором было предложено заполнение скважин производить свободна»! сбросом, бетонной смеси.

Для обоснования этого метода под руководством автора были выполнены специальные исследования [20, 21, 27, 29, 33, 34, 39] «охватившие не только изучение способов заполнения скважин бетонной

смесью, но и различных методов подготовки забоя скважин и их влияния на несущую способность свай, а также оценку армирования свай по результатам натурных испытаний. Исследовались два способа заполнения скважин: ВПТ и свободным сбросом.: В первом случае скважины диаметром 650 мм и глубиной 12 м заполнялись бетонной смесью через' приемный бункер и две секции бетонолитных труб диаметром 257 ми и длиной 4 и 6 м. Уплотнение бетона производилось вибратором, прикрепленным к днищу бункера. Во втором случае скважины диаметром 1м и длиной 20 м заполнялись бетонной смесью путем ее слива из бункера бетоновоза. Дополнительного уплотнения бетона не производилось. Исходная марка бетона в обоих случаях была принята одинаковой, и равной 30 МПа.

Для исследования прочности бетона в стволах свай выбуривались керны коронкой диаметром 89 мм, которые разрезались на образцы с соотношением высоты к диаметру 1:1. Результаты испытаний образцов приведены на рис. 3: а - для свай забетонированных методом ВПТ» б -методом свободного сброса. Установлено, что в стволах свай, забето-а.

4 с

г

1о

2S 35 МПл_

I

\

5.

2с

£Ь Л.М/Г*

нированных методом ВПТ» наблюдается некоторое снижение прочности бетона в средней части ствола, где заполнение скважины в затрубном пространстве бетонолитных труб происходит восходящим потоком бетсна. В стволах свай, забетонированных свободным сбросом бетонной смеси, прочность бетона наростает с глубиной равномерно. Исследование ялифов показало однородную структуру бетона по всей длине сваи. Расслоение бетон-Рис. 3. ной смеси не обнаружено.

По результатам экспаркцоита истод свободного сброса бал рекомендован для применения в практике строительства, а его правовой статус закреплен специальным приказом Госстроя ТЬда ССРЛ, Экономическая эффективность метода только при бетонировании свай в фундаментах газетно-журнальнопз издательства п Душанбе [27] составила 700 тыс.руб. Позднее этот метод был разрешен СНиП 3.02,01-83 для бетонирования сухих скважин rió всей территории СССР.

В действующих в 70-е годы нормативах содержалось требование обязательного заглубления нижнего конца буронабивных свай-стоек в несущий грунт на глубину не менее диаметра сваи. Выполнение этого условия приводило к необходимости содержания на строительной площадке двух типов буровых механизмов (вращательного и ударного бурения) и существенно удлиняло и удорожало процесс проходки скважин. В выполненных исследованиях проходка скважин производилась лишь вращательным бурением установкой С0-1000, без заглубления в подстилающие галечники. При этом были рассмотрены три метода подготовки забоя скважин: зачистка ковшевым буром, уплотнение падаицим с высоты 3 м грузом массой 2,5 т, втрамбовывание в забой щебня объемом 0,4 мЗ.

Для- оценки несущей способности свай были выполнены статические испытания с нагружением свай до 6 мн двумя гадравлическими домкратами грузоподъемностью по 5 мн. Реактивное давление от домкратов передавалось через систему трех балок коробчатого сечения на 4 анкерные сваи такой же конструкции как и рабочая. Расчетная несущая способность свай при уплотнении забоя скважины и втрамбовывании щебня оказалось выше соответственно в 1,5 и 1,7 раза по сравнению с простой зачисткой забоя. Метод втрамбовывания щебня в забой скважины был рекомендован в качестве обязательного и включен в "Методическое пособие по проектированию буронабивных свай" (изд. Ирфон, Душанбе, 1979), подготовленное по результатам выполненных исследований.

1.4. Разработка конструкций свайного фундамента

эффективного для сейсмостойкого строительства.

Для повышения сейсмоустойчивости зданий используются различные приемы и способы, которые можно обобщить в два основных направ ления:

1. Снижение сейсмических воздействий на здание со стороны грунта при помощи: а) установки здания на шаровые иди цилиндрические опоры; б) отрезки фундамента здания от окружающего грунта.

2. Гашение колебаний самого здания при помощи: а) устройства амортизирующих (упругих или гибких) элементов; б) установки сейсмс выключающихся связей.

В результате выполненных под руководством автора исследовани! была предложена конструкция фундамента, которая объединяет в себе обе указанные функции. Фундамент состоит из буроопускных свай [26]

и сейсмовыключающихся связей, устанавливаемых в узле сопряжения сваи с ростверком [35] .

Буроопускная свая состоит из несущего железобетонного элемента заводского изготовления, свободно опускаемого в скважину и заполнителя пространства между элементом и стенками скважины, обычно тощего бетона, которому часто отводится роль защиты элемента от агрессивного воздействия грунтовых вод. Свободное опускание железобетонного элемента гарантирует его качество (отсутствие поперечных трещин, возникающих при забивке), что является очень важным для сейсмостойких фундаментов. На это было впервые обращено внимание проф. В.А. Ильичева, рекомендующего такие сваи для сейсмических районов!

Наличие в буроопускных сваях пространства между несущим элементом и грунтом открывает возможность применения этих свай для снижения сейсмических воздействий со стороны грунта на здание. В реальном случае пространство должно быть ничем не заполнено, тогда эффект гашения сейсмических воздействий будет наибольшим.'Практически - наличие заполнителя неизбежно, поэтому выбор заполнителя предопределяет успешное решение задачи. Для выяснения влияния вида заполнителя на характер сопротивления буроопускных свай сейсмическим нагрузкам были выполнены натурные испытания свай, выполненных из железобетонных элементов сечением 350x350мм длиной 12 м, и четырех типов заполнителя: бетона класса В 3,5, песчано-цементного,пес-чано-иэвесткового и песчано-глинистого растворов. Зависимость горизонтальных перемещений свай $г от величины нагрузки Рг показана на рис. 4 (цифрами обозначены графики /( Рг) для заполнителей в перечисленной выше последовательности). Из рисунка'видно, что наибольшими гасящими свойствами обладает заполнитель из песчано-глинистого раствора, который и рекомендуется для применения.

Рис. 4,

Для улучшения сейсмозащитных качеств фундамента узел сопряжения железобетонного элемента с ростверком оборудуется сейсмовыключа-сщимися связями, которые срабатываю? при амплитудах колебания здания, 1ревытающих расчетные. Таким образом, се'йсмо'защитные'качества расе-' Аотренного фундамента обусловлены тремя аспектами: I) снижением сейсмического импульса со стороны грунта на несущий элемент фундамента, которое, как известно из теории распространения сейсмических волн, ' происходит на границе двух сред с разными модулями упругости:такой

Рг.

И

2<С

"6о ВО а

1а ¿о Л> 4а £0

границей являетсл заполнитель скважины; 2) гашением колебаний здания "гибким" железобетонным элементом: гибкость элемента обусловлена слабым защемлением в скважине; 3) срабатыванием сейсмовыключаю-щихся связей при интенсивности землетрясения 9 и более баллов.

Конструкция фундамента защищена авторским свидетельством № 910988.

1.5." Развитие методов оценки параметров

грунтовых оснований свайных фундаментов.

Достоверность значений параметров грунтового основешия - одно из важнейших условий обеспечения надежности и экономичности любого фундамента, а свайного особенно. Для свайного фундамента наиболее важными являются параметры,- определяющие несущую способность свай: сопротивление грунта на боковой поверхности сваи и под ее нижним концом ^-, а в сейсмических районах еще и, так называемый, коэффициент пропорциональности К.

Значения этих параметров зависят прежде всего от инженерно-геологических особенностей грунтов, а также от методов их оценки, вернее, насколько эти методы учитывают особенности грунтов.Поэтому, в том или ином регионе работа по оценке параметров грунтов, выполняемая при инженерных изысканиях, обязательно сопровождается научными исследованиями по изучению инженерно-геологических особенностей грунтов, и влияния этих особенностей на методы определения параметров. такие исследования при участии и под руководством автора были выполнены в Среднем Приобье тюменской области и в Таджикистане.

1.5.1. Исследования грунтов Среднего Приобья.

В начале 70-х годов в Среднем Приобье началось интенсивное строительство различных зданий и сооружений, обусловленное освоением нефтяных и газовых месторовдений. Инженерно-геологические и климатические особенности района предопределили основную конструкцию фундаментов этих зданий - забивные железобетонные сваи. С началом массовой забивки свай было обнаружено, что их поведение при действии динамической и статической нагрузок несколько отличается от известного. Для изучения этого явления в г. Нижневартовске был организован научно-исследовательский сектор от ВНИИОСП им. Н.М.Гер-севанова, в работе которого"участвовал автор.

Основная особенность поведения свай, которая больше всего настораживала строителей, заключалась в больших перемещениях свай при забивке, и малых - при статическом нагружении. Несущая способность

свай, вычисленная по результатам динамических и статических испытаний, не соответствовала известному соотношению этих величин. Требовалось установить их достоверность и надежность.

Выполненные исследования физико-химической природы грунтов,анализ результатов параллельных испытаний свай динамической и статической нагрузкой, изучение работ известных грунтоведов (В.М. Гуменский, Р.С. Зиангиров, В.А. Приклонский, П.А. Ребивдер, В.Т. Трофимов, Е.М. Сергеев и др.) позволили сделать вывод, что причиной необычного поведения свай является склонность грунтов Среднего Приобья к тиксо-тропным изменениям (позднее В.Т. Трофимовых они были названы квази-тиксотропными, что более соответствует их природе) [2, 4,10,12,16* 18, 56] •

"Грунтовая толща Среднего Приобья, составляющая основание свайных фундаментов (15-20 м) сложена главный образом четырьмя разновидностями грунтов: мелкими и пылевадоми песками (21/6), супесями (3656) и суглинками (3956) [ю] . Глинистые грунты характеризуются довольно однородным зерновым составом с преобладанием фракций размером 0,1 -0,005 (до 70$ у супесей, и до 85/5 у суглинков). Естественная влажность изменяется в пределах 25 - 5/6, при полном заполнении пор водой. Наиболее часто встречаемая консистенция находится в интервале значений показателя текучести 1с= 0,4 * 0,6.

Минералогический состав глинистых грунтов представлен фракциями гидрослюд, монтмориллонита и смешанно-слойных образований гидро-слюдисто-монтмориллонитового состава. Грунты имеют кислую реакцию со ■средним значением рН = 5,7. Обменные катионы представлены ¿Г*1*, Слх* г Мд1* ж находятся в соотношении^ >Са >М], причем преобладание над остальными катионами доходит до 2,8 раза. Грунт с таким распределением катионов связывает огромное количество воды в диффузном слое ионов (особенно натрия). Обладая большой энергией выхода из поглощенного состояния, катионы легко теряют рыхяосаязанную воду при механическом воздействии-, чем способствуют разупрочнению связей мезду частицами грунта. Катионы ко с*** играют при этом противоположную роль: обладая значительной энергией поглощения, они являются коагулятором, вызывая обратное упрочнение связей мевду частицами грунта после прекращения механического воздействия.

На основании приведенных характеристик грунты Среднего Приобья были классифицированы автором как склонные при забивко свай к обратимым изотермическим фазовым превращениям типа "гель-золь-гель", выражающихся во времешюм снижении прочностных свойств, с последующим

их восстановлением в процессе "отдыха", свай. Было установлено, что вторичное превращение золя в гель приводит к более высокой степени упрочнения грунта, чем это происходит только за счет увеличения плотности при забивке свай в грунз«, не подверженные этому явлению.

Для разработки инженерного метода оценки влияния тиксотропшх явлений на несущую способность свай было выполнено 194 динамических испытания свай типа СЮ-30, погруженных в идентичные геологические условия, но с различным временем отдыха. Для исключения влияния технологических факторов все испытания проводились по единой методике; Удары по свае производились "холодным" (без подачи топлива) дизель-молотом с массой ударной части I,8 т двумя последовательными залогами из трех и пяти ударов. В каждом залоге определялся средний отказ и 5-, и отношение

',. Полученные значения были разбиты на три группы: ДЙ < I,

Очевидно, что/)£<1, то есть средний отказ от пяти последующих ударов меньше, чем от трех предыдущих, может быть в двух случаях: I) в основании сваи залегают грунты не подверженные разупрочнению, либо 2) грунты подвержены разупрочнению, но обладают хорошей способностью восстановления прочности. Разрешение этой альтернативы происходит путем выполнения десяти ударов "горячим" методом: нарастание величины отказа сваи от каждого удара указывает на принадлежность грунтов к тиксотропным, и наоборот.

Естественно, что продолжительность отдыха сваи также сказывает ся на величине йВ . Статистическая обработка величин продолжительности отдыха, сгруппированных по указанным значениям <15 показала, ч характерна для свай с отдыхом не менее 18 суток (при условии, конечно, что грунты в основании не склонны к сильному разупрочнению в противном случае всегда Д£>2), а наблюдается при отдыхе

не более 10 суток. На основании этого было предложено рО,13, 17] сч тать отдых продолжительностью 18 суток оптимальным для выполнения статических испытаний свай в тиксотропшх грунтах Среднего Приобья, а не 6 суток, как предусматривалось ГОСТ 5686-69.

В любом случае при значении и среднем отказе от 10 ударо

горячим молотой 5 см грунт в основании сваи предложено относить к слабо подверженному тиксотропному разупрочнению, а при а 2

>5 см - к средне подверженному разупрочнению. Для отнесения грунтов к тому или иному типу при выполнении инженерно-геологически изысканий (когда динамические испытания свай не производятся) на ос

ювании выполненных исследований была разработана классификация,приеденная в табл.1.

Таблица I

Характеристика грунтов Тип грунтов по степени разупрочнения

[ески плотные всех видов, пески крупке и средней крупности средней плот-юсти; супеси твердые, суглинки и 'лины твердые и полутвердые 1ески мелкие средней плотности,пески млеватые с коэффициентом пористости 0,7; суглинки и глиш тугопластич- ще 1ески мелкие рыхлые, пески пылеватые .коэффициентом пористости «> 0,7; зуглинки и глины с показателем теку-{ести 1и>0,5, супеси пластичные и гёкучие Слабо подверженные разупрочнению Средне подверженные разупрочнению Сильно подверженные разупрочнению

Описанные региональные особенности грунтов Среднего Приобья потребовали внесения корректировки во всю процедуру проектирования свай-шх фундаментов5 изыскания, расчет несущей способности, статические 1 динамические испытания сваи [Ц 17 ] . Для этого были разработаны 'Рекомендации по определению несущей способности свай методами поле-зых испытаний", ЩШОСП, Тюмень, 1976, и "Методика, проектирования звайных фундаментов в тиксотройных грунтах", Москва, 1989. Разработка методики проектирования была выполнена по заданию ВНИШСП им. ■ {.!А. Герсевалова в качестве раздела "Пособия по проектировании свай-ых фувдаментов (к СНиП 2.02.03-65)".

В рекомендациях по испытанию свай изложены технологические тре-5ования, обусловленные природой тиксотропных грунтов: продолжитель-юсть оптимального отдыха, процедура приложения динамической нагрузки, методика определения расчетных отказов - при динамических испы-ганиях, и порядок приложения нагрузки (величина и время условной ста-5илизации) и определения величин нормативного и расчетного сопротив-1ения грунта по графику зависимости перемещения сваи от нагрузки -зри статических испытаниях. В частности, значение коэффициента перо-сода от предельного значения осадки здания к осадке сваи-, используемого для расшифровки этих графиков, рекомендуется принимать равным ),3, что отражает более прочное состояние грунта в основании свай меле вторичного фазового превращения "золь-гель".

Методика проектирования содержит классификацию грунтов по степени тиксотропного разупрочнения и методику определения несущей способности свай по значениям расчетных сопротивлений /? и . Приведены таблицы значений этих параметров, составленные на основе многочисленных испытаний свай на вдавливающие и выдергивающие нагрузки в грунтах различной консистенции и плотности. Для корректировки несущей способности свай, вычисленной по результатам испытаний (формула' (16) СНиП 2.02.03-85), уточнены значения коэффициентов условий работы,^ в зависимости от степени подверженности грунтов к тиксотропно-му разупрочнению: = 1,0; 0,95; 0,9 соответственно для грунтов слабо, средне и сильно подверженных разупрочнению.

Для оценки несущей способности по результатам контрольной доби-вки свай, выполняемой при осуществлении авторского надзора, составлены таблицы значений несущей способности для свай различной длины и сечения в зависимости от типа молота, величины отказа сваи и чувствительности грунтов к разупрочнению.

1.5.2. Исследования лессовых грунтов Средней Азии.

Неблагоприятность условий строительства в Средней Азии обусловлена прежде всего сейсмической активностью этого региона. При расчете свай на сейсмические воздействия требуется знание так называемого "коэффициента пропорциональности" К (кН/м4), определяющего интенсивность реактивного сопротивления грунта при изгибе сваи. Для определения численных значений этого коэффициента под руководством автора были проведены специальные исследования различных конструкций свай [22,26,27,33,34,37], на горизонтальные нагрузки, равные по величине сейсмическим воздействиям в 7 - 9 баллов на 5 - 9 этажные здания.

Значения К определялись по следующей методике:

К •= Е1<АЬ/Ву > (5)

где Е1 - приведенная жесткость поперечного сечения испытуемой сваи, кН-ы2; сС — коэффициент деформации, м"*; Ву - условная расчетная ширина сваи, равная:

. 1,5Д + 0,5м - для свай диаметром менее 0,8м, Д + 1м - для свай диаметром более 0,8и.

Коэффициент деформации оС вычислялся по формуле:

(2,44Рг/5гВу)1/3 , (5а)

где Рр - расчетная горизонтальная нагрузка, кН; £>г - горизонтальное перемещение сваи при нагрузке Рг. и«

При исследовании прежде всего было установлено, что существовавший способ оценки Н -относительно показателя пластичности лессовых грунтов не может быть использован из-за большого разброса значений

этой характеристики при одном и том же состоянии грунта по влажности. Иными словами, показатель пластичности в том виде как он определяется для других глинистых грунтов, не годится в качестве характеристики лессов. Этот факт был обоснован и доведен до сведения специалистов по инженерным изысканиям в статье [38].

Для связи значений К с показателями физических свойств лессовых грунтов был использован параметр влажности на пределе раскатывания и коэффициент пористости, которые имеют тесную корреляционную связь с прочностными и деформационными характеристиками С25,38]. Были испытаны две серии буронабивных свай диаметрами I и 0,65 м [26,2?], и серия забивных свай сечением 35x35 см С373. В каждой серии испытано четыре пары свай по схеме одновременного приложения нагрузки на две сваи, расположенные на расстоянии 3,5 м друг от друга. Исследования выполнялись на трех опытных площадках с различными физико-механическими характеристиками грунтов. Испытания свай производились при полном водонасыщении окружающего их грунта. Замачивание грунта выполнялось через дренажные скважины диаметром 250мм, заполненные щебнем, которые были пробурены на всю глубину просадоч-ной толщи. Испытания свай выполнялись по известным методикам.

Вычисленные по результатам испытаний значения К были интерпретированы для всего диапазона значений влажности на пределе раскатывания и коэффициента пористости, характериных для лессовых грунтов Средней Азии (табл.2).

Таблица 2

Влажность на границе ..раскатывания Коэффициент пористости Коэффициент пропорциональности К, кН/ы

0,125 - 0,184 0,61 - 0,65 0,66 - 0,75 0 76 - 0;85 0,86 - 0,95 0,96 - 1,1 10000 - 8500 8000 - 7000 6500 - 5000 5500 - 5000 4500 - 4000

0,185 - 0,244 0,66 - 0.75 0,76 - 0,85 0 86 - 0^95 0,96 - 1,1 l|ll - 1,25 13000 - 9500 9500 - 8000 7500 - 6000 5500 - 5000 4500 - 4000

0,245 - 0,304 ' 0,76 - 0,85 0,86-0,95 0,96 - 1,1 I,II - I 25 12000 - 9000 8500 - 7000 6500 - еооо 5500 - 5000

Эта таблица была включена в разработанное авторе« "Методическое пособие по проектированию " [243, которое используется в практике проектирования по настоящее время.

Развитие искусственного орошения в Средней Азии ведет к изменению гидрогеологического режима грунтов в районах освоения, сложенных лессовыми грунтами. Обладающие просадочными свойствами, эти грунты при обводнении превращаются в слабые водонасыщенные с показателями текучести более I, с расчетными сопротивлениями в основании фундаментов 0,06 МПа и модулями деформации менее 5 МПа. Как показал выполненный анализ [32] наиболее рациональными фундаментами на таких грунтах оказываются свайные, с применением забивных свай.

Для оценки несущей способности свай в водонасыщенных лессовых грунтах были выполнены натурные испытания шести типоразмеров забивных свай на вдаливающне и выдергивающие нагрузки [37]. В процессе этих испытаний были подтверждены результаты исследований свай в слг бьк грунтах (Сид Г., Рис Л.-1955 г., Далматов Б.И.-1972 г. и др.), установивших преимущественное значение боковой поверхности свай в формировании их несущей способности. В проведенных автором испытаниях свай получено наростание их несущей способности пропорционально увеличению площади боковой поверхности. На долю острия приходит-Си 25Й несущей способности для свай длиной б м, и лишь 10% - для свай длиной 10 м. Немаловажен также установленный факт практически постоянных значений расчетных сопротивлений грунта на боковой поверхности: для свай любой длины эта величина изменялась в пределах 19 - 23 кПа.

Устройство наклона боковых граней свай относительно вертикальной оси приводит к существенному увеличению несущей способности на вдавливающие нагрузки. Так, несущая способность бипирамидальннх СВ' ай (аналогичных ромбовидным, но с наклоном всех 4-х граней), иыеющ' их угол наклона граней в нижней рабочей части лишь в 1°, оказалась в 1,8 раза выше,чем равных по длине свай Сб-30, и в 1,3 раза выше, чем свай СЮ-30, равных по расходу бетона.

Результаты выполненных исследований ставят под сомнение требо' вание п.11.10 СНиП 2.02.03-85, разрешающее применение забивных вис ячих свай в сейсмических районах при условии опирания их концов на грунты с показателем текучести менее 0,5. Для лессовых грунтов Сре дней Азии это требование равносильно запрету применения висячих св ай вообще, поскольку консистенция этих грунтов при водонасыщении оказывается ниже 0,5 на глубинах 20-25 ы, когда острие не играет практически никакой роли в формировании несущей способности. Да и забивка свай такой длины технически сложна, а подчас и экономическ 'нецелесообразна.

Проектирование забивных висячих свай в водонасыщенных лессовы

грунтах в сейсмических районах, на наш взгляд, следует выполнять 5ез учета сопротивления грунта под острием, принимая постоянным зн-1чение расчетного сопротивления на боковой поверхности сваи (для гессовых грунтов Средней Азии - 20 кПа). Величину коэффициента про-юрциональности при этом следует определять по табл.2 без уыеньше-шя на 30%, как это рекомендуется СНиП, поскольку определение К уш этой таблицы выполнено по результатам испытаний свай в полностью водонасыщенных грунтах.

Наиболее рациональными типами забиных висячих свай в водонасы-ценных лессовых грунтах будут сваи с развитой боковой поверхностью: трубчатые, крестообразные, тавровые, а при отсутствии выдергивающих шррузок - сваи снаклонными боковыми гранями: пирамидальные, конич-гские, клиновидные. Выбор длины сзай должен определяться из условия збеспечения достаточной несущей способности по грунту и подтверждаться расчетом по деформациям.

1.6. Выводы по первой части диссертации

Обобщая научные результаты работ автора по развитию методов ра-:чета, конструирования и возведения свай з различных инженерно-гвол-»гических условиях, можно сделать следующие выводы:

1. На основе использования принципа адаптации конструкций свай с реактивным силовым воздействиям со стороны грунта разработаны эффективные (требующие меньшего количества материала для достижения 1рограммируемой цели: обеспечения устойчивости или несущей способно-:ти) конструкции свай:

а) ромбовидные» учитывающие особенности силового поля, возникающего при промерзании грунта, для создания анхерупцего эффекта и об-гспечения устрйчивости сеэй в яучинистых грунтах»

б) сваи уменьшенного сечения в пределах просадочной толщи Лосевых грунтов П типа просадочностн, снижающие злияниэ негативного ?рения грунта по боковой поверхности (авторсхоэ свидетельство);

з) свайный фундамент, обладающий сейсыозещитнымя качествами за :че? использования эффекта гашеная сейсмического импульса, передава-гмого со стороны грунта на несущий элемен? фундамента, а •гакпе сния-1ющий амплитуду колебаний надеундаыентного сооружения за счет "гмб-сости" несущего элемента в екгекинв ш устанозкм еэЗсловыкжючающихся :вязей непосредственно на фундамента (авторское свидетельство).

2. Высказана и экспериментально обоснована гозиоаность бетони-хзвания свай в сухих' скважинах методом свободного сбраснзаняя бетон-¡ой смеси (в настоян,зз время-метод зкесан а СНиГО, ко-гошй широко ¡сяользозан при устройстве буроиебивню: свай длиной до 30 м в фундаментах 9-этажных зданий в р.Душанбе.

3. На основе экспериментальных исследований характера взаимодействия грунта и сваи установлены региональные особенности сопротивления грунтов, обусловленные их физико-химической природой, а именно:

а) тиксотропное разупрочнение грунтов при забивке свай в районе Среднего Приобья Западной Сибири. Явление изучено, предложены количественные показатели его оценки, и выполнена корректировка методики проектирования свайных фундаментов с учетом этого явления: разработана классификация грунтов по степени разупрочнения, составлены региональные таблицы значений ^ и Я ; определены значения коэффициентов условий работы, корректирующих несущую способность свай в зависимости от степени разупрочнения грунта; уточнена методика полевьк испытаний свай динамической и статической нагрузками;

б) повышенная сопротивляемость лессовых грунтов Средней Азии горизонтальному давлению со стороны сферических поверхностей - боковых поверхностей буронабивньк свай, что выражается в более высоких значениях коэффициентов пропорциональности (коэффициентов "постели"), используемых при расчете свай на сейсмические воздействия. Определенъ численные значения этих коэффициентов в зависимости от предела раскатывания и коэффициента пористости грунтов, вошедшие в республиканские нормы проектирования свайных фундаментов. Изучены особенности поведения забивных свай в водонасыщенных в районах поливного земледелия лессовых грунтах, и определены условия кх проектирования на воздействие сейсмических нагрузок.

Изложенные в настоящем разделе результаты исследований способствуют достижению экономичности свайных фундаментов. Однако, понятие оптимального решения не может считаться достигнутым без доказательства его надежности. При этом понятие надежности не должно ассоциироваться с обеспечением простого превышения несущей способности.свайного фундамента над действующими нагрузками (или непревышения расчетных осадок над предельно допустимыми). Для такого утверждения не требуется производить какой-либо расчет надежности. Более того, такая "надежность" может полностью обесценить все попытки обеспечения экономичности проектных решений фундаментов. Надежность должна расчитываться как вероятность безотказной работы именно наиболее экономичной конструкции свайного фундамента. Предложения по разработке такого расчета рассмотрены во второй части настоящего доклада.

2. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

2.1. Предпосылки необходимости развития теории оптимального проектирования свайных фундаментов

Проектирование занимает центральное место в комплексе современного капитального строительства, так как оно связывает в единое целое решение вопросов расчета, конструирования, технологии изготовления, возведения и эксплуатации конструкций зданий и сооружений. Поэтому процесс проектирования регламентируется государственными нормами, которые в каждом конкретном случае определяют метода решения перечисленных вопросов.

В нашей стране проектирование конструкций зданий и сооружений производится по предельным состояниям, введенным в нормативные документы с 1955 г. За прошедшее время была не только доказана прогрессивность теории и метода предельных состояний, но, наряду с этим выявлении недостатки, сдерживающие дальнейшее развитие этой теории. Подробный анализ этих недостатков не входит в задачу настоящей работы. Укажем лишь на ряд отрицательных аспектов, присущих методике проектирования свайных фундаментов.

При расчете несущей способности свай используется основное неравенство метода предельных состояний:

1}г>ге)гп, * , . (б)

где- соответственно расчетное и нормативное значения нагрузки; Г,Г(1 ~ расчетное и нормативное значения несущей способности основания одиночной сваи;£, ^ ~ набор частных коэффициентов надежности, соответственно по нагрузке, условиям работы, степени ответственности здания, по грунту и методу оценки несущей способности.

При проектировании решение неравенства (6) всегда выполняется в по^зу знака "меньше". При этом абсолютное значение запаса несущей способности ¡¡а?-// порой достигает значительной величины не только из-за завышения N или занижения Г , но и вследствие влияния рада факторов, присущих самой методике проектирования свайных.фундаментов:

I. При статистической обработке исходной инфорлации, используемой для расчета р: (точек зондирования, полевых испытаний эталонных или натурных свай) используется уровень доверительной вероятности /3 а 0,95, хотя уже неоднократно отмечалось (М.В.Рац) ^обоснованность этой величины. Значение /3 должно приниматься исходя из характера исследуемого параметра грунта, типа или класса капитальности сооружения. Однако до настоящего времени этот вопрос на решен. ]£ак показали

исследования [48, 53, 55] такой формальный подход приводит к снижениюна 6-16 создавая запасы обоснованные теоретически, но не реализуемые практически.

2. Объем исходной информации никак нэ увязан с ее качеством. Для сглаживания этой некорректности вводится дискретный коэффициент надежности fa , формально учитывающий метод получения, а фактически повышающий запас несущей способности на 20-40 % по отношению к вели-' чине, в значении которой учтены и технологические факторы (коэффициентом fe ) и природная неоднородность грунтов ( ).

3. Принятая в методе предельных состояний обеспеченность расчетных значений^ и F имеет различные оценки достоверности: для М принимается верхняя граница доверительного интервала, а для F - нижняя. Тем самым исключается достижение равенства реальных значений этих ве-

, личин и обеспечиваются условия безотказного функционирования даже при нулевом запасе несущей способности.

4. Проектирование свайного фундамента по условию (6) выполняется применительно к отдельной свае, а не к фундаменту в целом. При этом не учитывается пространственный характер работы свайного фундамента, дополнительное уплотнение грунта в межсвайном пространстве.

Исходные теоретические принципы метода предельных состояний приняты таким образом, что расчетные схемы и расчетные параметры конструкций определяются из предположения экстремальных условий их эксплуатации. Построение расчетных математических моделей и схем осуществляется на базе аксиом и гипотез, имеющих определенную экспериментально-статистическую обеспеченность. При проектировании определяются численные значения параметров конструкций, соответствующие границе области предельных состояний. Так как эти параметры обладают свойством изменчивости, то граница предельных состояний не может быть определена в детерминированной форме. Эта задача решается на основе аппарата теории вероятностей и математической статистики.

Исходя из предположения нормального распределения частных значений параметров проектируемых конструкций, расчетные значения этих параметров определяются из условия удовлетворения трехсигменной аксиомы

Jtf«mMt3%t , (7)

где т. и б* - числовые характеристики плотности распределения вероятностей частных значенийи?*,; (математические ожидания и средние квадратические отклонения).

Принятие трехсигменной аксиомы гарантирует достоверность вычисляемого параметра с вероятностью (надежностью) 0,9986. Следовательно, вероятность того, что расчетное значение параметра выйдет за границы

области предельного состояния составит I - 0,9986 ■» 0,0014. По отношении к расчетным значениям.//' и Р эти утверждения были бы справедливы при условии, что информационные поляили Г; монофакторны, то есть флуктуация или 1} обусловлена причинами одной природа, например, несовершенством методов измерения. Но в неравенстве (6) параметры М и Р ыногофакторны, в частности:

Г=/(М,Г), (а)

где 11 - ыеханические(прочностные, деформационные) характеристики; . Г - геометрические характеристики; в - характеристики гравитационных нагрузок; К - характеристики климатических нагрузок.

Каждый из этих параметров является случайной величиной, расчетное значение которого X = * ЗБ-Х . Непопадание X в этот интервал произойдет с вероятностью 0,0014. Поскольку все параметры взаимно независимы, то условие предельного состояния рассматриваемой системы наступит только при одновременном появлении предельных численных значений всех параметров (в противном случае необходимо принать зависимость параметров, что противоречит их природе). Математически это событие записывается в виде выражения:

1-7

Вероятность такого события 0/Хп)-$£Хи<('г>н~36'м)1®ЕХг <(т^

-ЗбгЯ4[Х6>0%+П7вМаСХк*(Мк+ЗбЛ1ш 0.00144 3,8*10" .

Иными словами, наступление расчетного предельного состояния конструкции, проектируемой по целевой функции (6), событие практически невероятное. Такое проектирование обусловливает наличие значительных технико-экономических резервов в проектируемых конструкциях.

Уменьшить величину этого резерва можно при помощи процедуры оптимизации, основанной на принципах оптимального управления сложных систем. Однако, непосредственное применение стих принципов для проектирования строительных конструкций невозможно: строгого решения задачи оптимизации с учетом множества противоречивых показателей качества, присущих строительным конструкциям, пока ко найдено. Установлено, что существует множество Пзрето-оптимальных (неулучшаеыцк) решений, и найдены способы нахождения отдельных точек этих решений посредством композиции (объединения) частных критериев в одну из обобщенных целевых функций и поиска ее экстремума (Н.Л.Крылов).

Теоретическая основа этих методов пока недоступна'^нженерам-стр-' оителям из-за применения специальных разделов математики, изучаемое в университетах. Это обусловливает необходимость разработки более простых способов управления надежностью строительных конструкций с цельо снижения затрат, которыо при строительстве фундаментов буквально за-

изнываются в землю. Стремление уменьшить эти затраты стимулирует развитие исследований по оптимальному проектированию технических систем гак в нашей стране, так и за рубежом. Одно из направлений, получившее наибольшее развитие в машиностроении (особенно в проектировании и строительстве летательных аппаратов) рассматривает задачи оптимального и надежностного проектирования с некоторых единых позиций (Г.С.Анту-шев, И.П.Норенков и др.), целевая функция которых записывается в виде:

Zj » (Гу rte Г <7, Т]3 (8)

выражающем условие работоспособности системы при непревышении значений^* над JTj при /-м виде загружения, с ограничением запаса работоспособности величиной ctj .нормируемой техническими требованиями или расчетом надежности системы для времени t за период эксплуатации Т .

В связи с стационарностью (неизменностью во времени распределений частных значений и.Л£ ) и эргодичностью (соответствием выборочных средних Fn и Sfn математическим ожиданиям tnF и ) информационных полей параметров Т и АГ свайных фундаментов, решение целевой функции (8) можно рассматривать для момента времени t« 0. Это допускает оптимизацию по критерию минимального запаса, то есть:

гУ (9)

Решение вариационного выражения (9) в классической форме для многих механических систем (в т.ч. строительных) затруднено, поскольку условия, при которых функционал^» достигает своего экстремума, для этих систем не могут быть выражены в виде каких-либо функциональных зависимостей. Иными словами, решение (9) может быть получено с какой то вероятностьг, численное значение которой и определит вероятность безотказной работы (ВБР) проектируемой системы:

Р. = Р{£ >о} * f °>. (Z;) (10)

" о *

где f'. - плотность распределения функционала работоспособности по j-му условию загружения.

С учетом всех W видов загружения надежность системы будет рав-

(Юа)

О О

где f (Zi,..., ¿w ) - многомерная плотность распределения функций работоспособности.

Вычисление интегралов (Юа) сопряжено с большими (зачастую непреодолимыми) трудностями, поэтому для независимых функций работоспособности^. решение заключается в определении таких условий расчета параметров, которые обеспечивают минимизацию массы Gj системы при нало-ленных ограничениях на показатель надежности Р- , то есть:

атЫ = тЫ Л £ (Юб>

Эта задача и представляет собой одну из проблем вероятностно-статистической оптимизации параметров конструкции. Решение задачи может быть выполнено либо методами вероятностной оптимизации, если известны вероятностные характеристики распределения случайных функций и/^' , и дана полная информация о проектируемом объекте (теоретический случай), либо методами статистической оптимизации, если для 17> и ./Неизвестны только эмпирические законы распределения и заданы их выборочные числовые характеристики (реальный случай).

При проектировании строительных конструкций приходится иметь дело со статистическими данными ограниченного объема. На основе этих данных могут быть найдены только оценки для генеральных значений числовых характеристик случайных переменных. Выборочный характер исходных данных приводит к тому, что значения параметров проектируемых систем при статистической оптимизации могут быть установлены не абсолютно, а с некоторой вероятностью. Следовательно, результаты расчета будут случайными величинами или случайными функциями с распределениями, зависящими от исходных рапределений случайных факторов (нагрузок, несущей способности) и числа испытаний (объема информации).

Представление о надежности и точности расчета оптимальных параметров при статистической оптимизации можно сделать на основе понятия доверительного интервала и доверительной вероятности. Применение этих понятий для статистической оптимизации параметров системы "свайный фундамент - основание" рассмотрено в разделе 2.2 настоящей диссертации. Эта задача сформулирована автором как управление границами доверительных интервалов параметров Р и /Г системы С20 путем установления значений доверительной вероятности, адекватной уровню надежности зданий и сооружений различного класса ответственности.

Следует отметить, что для простых систем (балка, колонна, ферма), рассматриваемых обособленно от всего сооружения, значение ВВР может быть найдено при помощи интеграла вероятности Лапласа б случае нормальной плотности распределения Р- и А; (А.Р.Ржаницын, Н.Н.Складаев):

¿Р. ,

/ = +. (П)

Для статически неопределимые систем расчет ВБР потребовал применения методов структурного анализа (КУдаис А.П. Оценка надежности железобетонных конструкций.-Вильнюс: Мокслао.1985; Бегам Л.Г., Дыпин В. Ш. Надежность мостовых переходов.-»!.: Транспорт, 1984), ряд положений' которого использованы в настоящей работе.

Для сложных систем, к которым относятся и свайные фундаменты, надежность функционирования обусловлена не только удовлетворением целевой функции (8), но и взаимодействием составляющих еа элементов. ББР таких систем определяется более сложным способом (H.H. Буслешсо, Ф. Прошан, С.А. Тимашев, И»Д. Ушаков и др.), интерпретация; которого для свайных фундаментов рассматривается в раздоло 2.5 настоящего доклада.

Из (10) и (II) видно, что значение Pj уменьшатся по мера сближения (в статистическом смысле) ординат Fj и j/y , обеспечивая при какой-то фиксированном (заданном) значении ВЕР наташопци» z-s , а следовательно, и минимизацию массы конструкции. Наоборот, по мере удаления (в статистическом смысле) ординат Г. и JYj уазличиваезтея Pj , что соответствует задаче максимизации ББР при ¿сакой-то фиксированной ( заданной) массе конструкции. Таким образ си, управляя значешлми Fj и Уу , достигаем оптимизации параметров конструкции соответственно поставленной задаче. Такая оптимизация носи? Ийгшанке статистической, поскольку выполняется методами математической статистики.

Очевидно, что выражению (9) соответствует условно первой оадачи: найти минимум массы (а, следовательно, и стоимости) конструкции при заданной величине параметрической надежности. Показатель надежности, таким образом, приобретает значение параметра проектируемой сйстеиы: который позволяет объективно оценить ароошкхз решаниа» В цатаиата-соской форме ото условие записываемся ß Ii ИДО наравзиства:

(12)

гдо Pjj , Pf а - соответственно расчетная и допустимая (заданная) ВБР проактирусмой системы.

Основное назначение »ори прозмироаания и отой с'яучаа сводится к двум задачам; I) обеспеченна разработчика методами опрздолокия расчетных значений ВНР P^j , и 2) выбор (назначениэ) доцусяимше аелишш ВЕР Pj0 . Изложенный в последукдих разделах «асгсщай püö'osu uafeриал содержит ресекиз этих задач для системы "ссайкьй фундамент «• основание" (СФО), в которой в качество несущих oacususoa используются забивные сваи, объединенные монолитным ростверком.

2.2. Развитие метода статистического управления параметрами системы "свайный фундамент - основание"

Управление параметрами, 'входящими в выражение (9), проще всего осуществить на стадии статистической обработки информационных массивов F- иИзвествно. ' что при статистической обработке п. независимых значений F. илил£ (рассмотрим на примере Fc ) выборочное сред-

нее отличается от своего математического ожидания гцр на какую-то величину <5* . Поскольку точное значение не известно, то представляет интерес оценить хотя бы вероятность его попадания в интервал-/^ ± <Г с какой-то желаемой степенью достоверности. В математической статистике доказывается, что для выборок с небольшим количеством п значение л , _,

<* (в)

гд~ аргумент функции плотности распределения Стьюдента, определяющий с слоисто от >Пр в зависимости от объема выборки П. и принятого уровня отбраковки (значимости)сС . Утверждается, что действительное (истинное) значение т^ попадает п интервал с относительной частотой (вероятностью), примерно равной 1 -оС . Такое утверждение называется доверительным, Интервал, относительно которого делается доверительное утверждение, назызается доверительным интервалом, а вероятность уЗ » I ~с< доверительно;! вероятностью.

Таким, образом, доверительный интервал для выборочного среднего относительно математического ожидания будет иметь вид:

[(!?-&) * * = • (г)

Чем ыеньио назначается уровень отбраковки сС , Тем с большим разбросом независимых случайных величин допускаетея расчет среднего значения . Естественно, что при этой повышается вероятность приближения к истинному значению те • Наоборот, увеличивая ¿С » уменьшаем область допустимого разброса частных значений ]?. , но при ом« уменьшается уверенность в достоверности величины Тп . то есть допускается риск, что фактическая несущая способность может оказаться аа пределами доверительного интервала. Если ото будот за пределами нижнего интервала - могут возникнуть предпосылки отказа основания.

Как видно из выражения (в) и (г) точность приближения будет тем выше, чем меньшей, то есть чеы большо объем п. исходник данных , иными словам!, чал больше средств затрачено на изыскания. Чтобы ограничить объем статистической выбор»! Я какими-то разумными пределами, можно воспользоваться выражением (в), принимая найденное из него п. за условно оптимальное, то есть:

** (13)

Необходимое в этом случае для расчета значение обычно принимается в долях от выборочного среднего п зависимости от условий решаемой задачи. При оценке несущей способности грунтоз в основании фундаментов в качестве такого условия автором предложено принимать класс ответственности зданий. Анализ точности расчетов конструкций зданий различной ответственности показал, что величина <5*" в выражении (13) может быть принята <Г =(0,05; 0,08; 0,1; 0,12)2^ соответс-

31

твенно для зданий уникальных,1,11 и III классов ответственности [551.

Если объем исходной информации. Л < Пв , то обеспечение необходимой достоверности^ может быть достигнуто двумя путями: I) определением дополнительных значений в количестве flg » Лв -л , иди 2) уменьшением расчетной нагрузки на сваю, то есть удалением статистических ординат F и N (см, выше),

В практике проектирования свайных фундаментов обычно применяется второй путь, хотя более результативным и экономичным является первый, что наглядно показано в работе [53J .

Из приведенного анализа видно, что уровень значимости oL является достаточно активным параметром в процессе оптимизации значений

. Управляя величиной с< можно достаточно просто управлять достоверностью^ . Возможность такого управления высказывалась уже давно (см. Пособие по расчетам опробования грунтов при изысканиях для строительства.-М.: Стройиздат, 1976), но отмечалось отсутствие критерия, с помощью которого можно было бы увязать значение с "характером исследуемого свойства грунта, типом и классом капитальности сооружений". Автором диссертации для этой цели использован изложенный" ниже метод расчета надежности системы "свайный фундамент - оснт ование" (СФО). В качестве критерия, сопоставимого с уровнем значимости^ , предложено численное значение вероятности отказа грунтового, основания, наступающего в случае недостаточной несущей способности, то есть когда F-N < 0. Расчетное значение вероятности этого события может быть наедено при помощи так называемого "интег-1 рала непревышения" (И.А.Ушаков):

Q&Jfd = Q(^O) « e*f (- t Z/Z) dt. Ш)

Следует отметить, что этот интеграл используется в теории надежности грунтовых оснований при оценке вероятности наступления предельного состояния (Н.Н.Ермолаев, В.В.Михеев).

- Рассматривая содержательный вероятностно-статистический смысл Q(G)fd и > нельзя не заметить их тождества: и тот и другой выражают некоторую долю плотности вероятности, определяющую область отклонения исследуемого параметра (в первом случае £ , а во втором Тп. ) за пределы доверительного интервала. То есть оба параметра' определяют границу области предельного состояния основания, но обусловленную разными причинами: QCGjfJ. - флуктуацией запаса работоспособности i флуктуацией характеристик грунтов, определяющих несущую способность основания. Следовательно, если поставить условие, чтобы' е>С в , то можно утвервдать, что степень достоверности оценки несущей способности грунтового основания, управляе-

мая при помощи сС , будет адекватна степени достоверности расчета параметров фундамента, управляемой при помощи

Поскольку расчетное значение вероятности отказа основания не должно превышать предельно-допустимого QfíO,^ , то окончательно можно записать условие:

o¿ =S

которое увязывает уровень значимости характеристик несущей способности основания с уровнем надежности проектируемых зданий. Это достигается путем ог зделения при помощи выражения полной вероятности отказа системы С50 (вывод этого выражения см. ниже), в котором в качестве аксиомы принимается равнонадежность фундамента и надфун-даментного сооружения. Тогда:

O/ó! - С 1-Cf-pJ 4/™J - вСЯ) ,

Q(GJia --1-QClU-' CI6)

где P - уровень надежности надфундаментньк сооружений; т и £ -характеристики структурной схемы надежности системы СФО; (}(£) - вероятность отказа связей несущего элемента фундамента (свай) с надфун-даментннми конструкциями (ростверком),

Вопрос о численном значении уровня надечщости надфундаментных сооружений Р до настоящего времени окончательно не решен. В технической литературе можно встретить предложения по значениям Р , отличающиеся на два-три порядка .Для установления нормативных значений Р систем СФО автором использованы результаты обработки информации об эксплуатации широкого класса инженерных систем, выполненной в Уральском проыстройниипроекте (C.A.TtarameB) и ЦНИИСКе (Е.М.Знаменский и Ю.Д.Сухов). Исходя из аксиомы равнонадежности фундаментов и надфундаментных сооружений значения Р для систем СФО получены в виде ряда, представленного в табл.3. Здесь же приведены значения о{ , вычисленные по формуле (16) из условия оС~ для свайных фундаментов различной конструкции и класса ответственности (для случая жесткого закрепления свай в ростверке).

Таблица 3

Класс ответственности надфундаментных сооружений Уровень надежности свайных фун-тов Уровень значимости сС для оценки несущей способности грунта в основании забивных свай для фундаментов

ленточных однорядных под колонны с числом свай до

5 9 16 и >

уникальные класс I класс П класс Ш . yggg..— 0,999 0,995 0,99 и,и* 0,05 0,0В 0,1 U,U3" 1 0,06 0,09 0 II U,UU 0 1 0,13 0,15 и,13 0,15 0,18 0|2

JO- >

(15)

Вычисленное по (16) значение представляет собой максима-

льно допустимую вероятность отказа отдельной сваи по грунту. В отличие от стандартно используемого уровня значимости оС с 0,05, значение Q(Wfa зависит от надежности надфундаыентных сооружений, вида свайных фундаментов, количества свай в нем, характера закрепления свай в-ростверке. В зависимости от этих показателей значение уровня знача-мости, как видно из табл.3, может изменяться до 10 раз.

Преимущества от применения дифференцированных значений оС очевидны. Например, оптимальное количество точек зондирования, вычисленное по (13) для фундаментов промздания II класса ответственности npi <?С = 0,05, составит 16, а приоС = 0,1 только б (см.пример в [42]), то есть, сокращается-объем и стоимость изысканий.

От уровня значимости непосредственно зависит значение частного коэффициента надежности по грунту = 1/(1 - t^&p чем выше значение оС , тем меньше ^ , тем, следовательно, ъш&Р. Только за счет использования дифференцированных значений оС можно увеличить несущую способность свай до 12-15 %, сократив соответственно их расход (количество или длину).

Описанная оптимизация^ при помощи неравенств (13) и (15) безусловно способствует совершенствованию методики расчета несущей способности свай, что дает право принять значение коэффициента надежности, учитывающего как раз несовершенство этой методики, I. Если при проектировании оптимизация исходных данных по условию неравенства (13) окажется невозможной, и может быть выполнено только неравенство (15), то значения этого коэффициента могут быть приняты равными f^ = 1,15; 1,1; 1,0 соответственно для фундаментов зданий I, II и Iii класса ответственности (для уникальных зданий изыскания должны выполняться без каких-либо упрощений).

Процедуру оптимизаций F„ следует начинать с изысканий. В Западной Сибири для определения Z} наиболее широко используется статическое зондирование. Автором разработана методика определения оптимального количества точек зондирования способом наименьших квадратов (ранее этот способ "был использован для оценки точности модуля деформации [I]), с назначением уровня значимости результатов зондирования по табл.3. Методика включена в региональные рекомендации [46], которые используются при изысканиях. При этом, для оперативного решения вопроса о необходимом количестве точек зондирования, например, при ввдаче заданий на изыскания, составлена табл.4. Коэффициент вариации, используемый в таблице, определяется по материалам изысканий прошлых лет (для конкретных регионов он достаточно стабилен).

Таблица 4

Класс ответственности зданий Оптимальное количество точек зондирования при коэффициенте вариации, равном

0,1 0,15 0,2 0,25 0,35

I II - III 6 3 14 5 25 8 40 13 57 18

Так, например, для Среднего Приобья коэффициент вариации результатов статичес зго зондирования изменяется в пределах 18-20 %. Как видим, оптимальное количество точек зондирования для этого региона отличается от рекомендаций СНиП на изыскания. Однако, как показал опыт проектирования и строительства, увеличение количества точек зондирования, а, следовательно, более точное определение несущей способности свай, освобождает от необходимости выполнения статических испытаний свай, которые значительно дороже зондирования.

Окончательная оценка надежности проектного рьшения, как было показано выше, может быть сделана на основе расчета ВБР фундамента. Перейдем к рассмотрению этого вопроса.

2.3. Рассмотрение свайных фундаментов с позиций теории функционально-системного анализа

Теория надежности рассматривает расчет надежности как оптимизацию управления надежностью функциональных систем (Ю.К.Беляев, Б.В. Гнеденко, С.А.Тимашев и др.). Осуществление оптимизации управления надежностью любой системы возможно лишь при анализе этой системы с позиций системотехники - научно-практической дисциплины, сформировавшейся в последние 25-30 лет как методологии исследования, проектирования и конструирования любых систем: биологических, физических, технических или социальных. Основополагающее исходное положение системотехники формулируется очень просто: системообразующим фактором (целевой функцией) создания любой системы считается конкретный результат функционирования системы. Тогда система "... это комплекс избирательно вовлеченных элементов, взаимосодействущих достижению заданного полезного результата" (Н.П.Бусленко. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978).

С позиций системотехники главная задача оценки, надежности системы сводится не к определению отдельных показателей надежности, а к выяснению влияния отказов отдельных элементов на качество работы системы. "На практике часто делаются попытки (как правило неудачные) использовать для оценки надежности сложных систем показатели, заиы-

ствованные из теории наделсности "простых" систем. Такими показателями обычно служат "среднее время безотказной работы системы", "вероятность безотказной работы системы в течение заданного интервала времени" и некоторые другие. Эти показатели учитывают лишь сам факт появления или отсутствия отказов в элементах системы и не дают» вообще говоря, никакого представления о влиянии отказов на конечный эффект финкционирования системы" СН.П. Бусленко, Моделирование сложных систем. 41.: Наука, 1978).

В функциональных системах термин "надежность" должен применяться только к результату деятельности системы. Декомпозиция (разложение) системы на элементы и определение связей между элементами должны производиться только исходя из процесса функционирования. Элементы, которые непосредственно не участвуют в процессе функционирования, при анализе надежности системы не учитываются. Отсюда и иерархия систем рассматривается как иерархия результатов. В соответствии с этими положениями конкретным результатом функционирования (целевой функцией) фундамента здания или сооружения следует считать обеспечение фундаментом нормальной эксплуатации этих зданий или сооружений. Чем ответственнее сооружение, тем более серьезные требования предъявляются к его фундаменту.

С механической точки зрения указанная целевая функция фундамента выражается в способности фундамента воспринимать действующие от сооружения различные виды нагрузок и передавать их грунтовому основанию. В свою очередь условия эксплуатации основания должны способ-■ ствовать выполнению целевой функции фундамента. Являясь промежуточным звеном между сооружением и основанием, фундамент находится под действием двух внешних факторов: нагрузок, передаваемых от сооружения, и силовых реакций со стороны грунта. Качество функционирования такого звена будет определяться качеством функционирования связей фундамента с сооружением и грунтом. Поскольку эти связи работают в условиях действия случайных факторов, естественно, что численная мера надежности фуедаыента должна выражаться через математическое понятие вероятности, таким образом, надежность как показатель эффективности функционирования системы "фундамент - грунт" есть вероятность того, что эта система будет в полном объеме выполнять свои функции, заключающиеся в обеспечении нормальной эксплуатации сооружений возводимых на этом фуццаыенте, в течение промежутка времени ¿л Т(здесь Т - срок службы сооружений). Нарушение этого условия будем рассматривать как отказ системы "фундамент - грунт".

Следствием таким образом сформулированных понятий целевой функции и надежности системы "фундамент - грунт" будет требование равно-надежности фундамента и возводимого на нем сооружения. Без соблюдения этого требования бесмысленно ставить задачу определения надежности фундамента. Условие равнонадежности определяет числовую границу для показателя надежности фундамента при нормировании этой величины, и обуславливает выполнение технико-экономического соответствия конструкций здания и его фундамента.

Правилами эксплуатации свайных фундаментов жилых и гражданских зданий массовой застройки не предусматривается их периодическое обслуживание и ремонт, поэтому систему СФО таких зданий с позиций оценки надежности будем рассматривать как необслуживаемую (неремонтопригодную). Из этого условия вытекают два важных для расчета надежности этой системы следствия: I) надежность необслуживаемых систем можно описать единственным показателем, например, начальной безотказностью; 2) надежность необслуживаедах систем зависит только от соотношения внешних и внутренних факторов, определяющих условия функционирования систем, и не зависит от времени, то есть такие системы рассматриваются как "нестареющие".

Процесс функционирования свайных фундаментов складывается из двух результатов, выражающих в конечном итоге результат работы всей системы CS0: I) функционирование отдельных свай, которое управляет-, ся соответствующим выбором конструкций свай и назначением их параметров согласно СНиП, и, 2) функционирование фундамента в целом как совокупности отдельных элементов-свай, объединенных в функциональную систему при помощи тех или иных конструктивных приемов. В соответствии с этим система 050 может быть подразделена на два иерархических уровня: I) уровень, отражающий результат функционирования .отдельных элементов-свай, и 2) уровень, отражающий результат функционирования системы С50 в целом.

Эти два уровня неоднородны, так как каздый из них несет свою функциональную и специфическую нагрузку в достижении целевой функции системы CS0. так, сваи являются основным несущим элементом системы, их конструктивные параметры назначаются в зависимости от действующих нагрузок и свойств грунтов, и функциональная роль состоит в обеспечении неподвижности (или ограниченной подвижности) всей системы СФО. Объединение отдельных свай в систему обуславливается конструктивными особенностями сооружений, возводимых на свайном фундаменте. При этом системы СЗО будут различаться как количеством свай,

так и способом объединения (конструкцией ростверка). Соответственно этому будет меняться характер работы и степень участия каждой сваи в составе фундамента.

Метод оценки надежности каждого иерархического уровня зависит от его функциональной сложности. По этому признаку все системы (подсистемы) в теории надежности делятся на простые и сложные. В простых системах отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Для количественной оценки надежности простых систем достаточно'определить показатели, характеризующие состояние работоспособности или отказа. В сложных системах отказ отдельного элемента приводит не к отказу системы, а лишь к ухудшению качества ее работы. Нормальное функционирование отдельных свай обуславливается несущей способностью основания. Отказ основания по любому из условий предельного состояния адекватен отказу сваи. Следовательно, отдельная свая - простая функциональная система. В системе СФО отказ отдельных свай как правило не приводит к отказу всей системы, следовательно, система СФО - сложная функциональная система.

Оценка надежности функционирования сложной системы и определение условий ее отказа в зависимости от характера взаимовлияния элементов, обусловленного структурой системы, выполняется аналитическим методом. При этом могут быть использованы два способа: I) исследование надежности системы в зависимости от времени в терминах функции интенсивности отказов, и 2) без учета времени - в терминах работоспособности или отказа s некоторый фиксированный момент времени» Выбор способа исследования зависит от многих факторов: назначения системы, особенностей процесса функционирования и его продолжительности,, глубины изученности и полноты отражения этого процесса в статистических совокупностях, используемых для определения функции плотности вероятностей распределения отказов к дрй

Исходя из функциональных особенностей системы CS50 (наремокто-пригодкость, длительная продолжительность процесса функционирования, и, в связи с этим, невозможность его достоверного коделирозаиия,требования высокой кадежносга к элементам и систзмз з целом) исследование ее надежности целесообразнее выполнять а терминах работоспособности или отказа.

Важное значение для анализа структура сложных систем шее? характер отказа элементов. В система CS0 отказ отдельных свай моке*? произойти з результат® постепенного ослабления связей сзаа с грунтом и появления деформаций, превышающих допустимые для данного соо-

ружения. Иными словами, появлению события "отказ сваи" будет предшествовать процесс постепенного накопления отказов отдельных элементов связей сваи с грунтом. В теории надежности структуры, характеризующиеся постепенной последовательностью событий отказа элементов, называются монотонными. Причем, если последовательность характеризуется отношением включения предыдущего события (то есть, накапливания отдельных факторов, приводящих к отказу), то структуры называются монотонно возрастающими. Система СФО может быть отнесена именно к таким структурам. Д; . анализа надежности таких структур разработан достаточно простой математический аппарат, основные положения которого использованы при разработке метода расчета надежности системы СФО.

2.4. Разработка метода расчета надежности отдельных свай

Основным условием нормального функционирования отдельных свай Согласно СНиП является требование соответствия несущей способности сваи действующим нагрузкам. Передача нагрузки на сваю осуществляется через узел сопряжения ее с ростверком, а несущая способность обеспечивается за счет сопротивления грунта по боковой поверхности и острию (висячие сваи) либо только по острию (сваи-стойки). Следовательно, отказ сваи как элемента системы СФО может произойти либо в результате нарушения Нормального функционирования связей сваи с ростверком, либо с грунтом- ■(•надежность материала самой сваи значительно выше надежности этих связей, и в данной задаче не рассматривается).

Поскольку связи сваи с ростверком и грунтом неоднородны (выполняют разную функциональную роль, различны по характеру отказа: отказ связей с ростверком имеет внезапный характер, а с грунтом - постепенный) и неизотропны (в силу различного количества "разветвлений" каждой связи), то для расчета вероятности отказа сваи необходимо 'составить уравнение, связывающее в математической форме условия функционирования этих связей. Обозначил 5- событие, соответствующее отказу сваи, R. - событие, соответствующее отказу связей с ростверком, G - то же, с грунтом. В силу неизотропности связей появление события R или G может произойти в результате некоторого количества исходов (попыток), то есть события £ и G представляют собой множества шэличных исходов

„J?cef*'.....м» (Г7>

каждое из которых характеризуется своей вероятностью появления Q (£) и £}[(*). Поскольку оба события могут появиться в результате действия одной и той же причины - нагрузки на сваю, то на исключено появ-

ление события 52 = Я ПО, что является необходимым и достаточным условием для характеристики этих событий как совместных. В то же время появление события С (например, появление осадок сваи, превышающих допустимые) может и не сопровождаться появлением события Л , и наоборот. Эта особенность характеризует события Я к С! как независимые, причем вероятность <3(Д/7<?) = <? (Я )<?(<? ). таким образом, появление сложного события Я может произойти в результате объединения двух совместных и независимых событий. Вероятность этого события С7(й) может быть определена в соответствии с восьмой аксиомой теории вероятностей:

$<&) = жщ * цее) - цсюасв) . (18)

Численное значение любой из вероятностей <?(Л) или <?(&) может быть определено методом "непревышения" согласно (14), выражающим вероятность того, что отказ связей с ростверком произойдет в случае, если расчетная нагрузка я , передаваемая на узел сопряжения сваи с ростверком, окажется больше его несущей способности, а отказ связей с грунтом - если покажется больше несущей способности сваи по грунту.

Решение первой задачи рассмотрено в работе автора [41] , где показано, что событие Я = Аие - объединение совместных и зависимых событий: отказа арматуры А и/или бетона Б. Вероятность И) в этом случае будет равна:

■ Я (К) = (19)

Значения <3(А) и <?(Б) принимались согласно работы: Гвоздев А.А, Краковский М.Б., Бруссер М.И. и др. Связь статистического контроля прочности бетона с надежностью железобетонных конструкций // Бетон и железобетон, 1985, № II. При этом было установлено (см. [41] ),что для случая жесткого сопряжения сваи с ростверком <7(К) = 0,0156, а для шарнирного - (К ) = 0,0143. Не следует думать, что меньшее значение вероятности отказа шарнирного сопряжения - ошибочно, как это может показаться с первого взгляда. Прочность (надежность) шарнирного сопряжения обеспечивается лишь одним элементом - бетоном, а жесткого - двумя элементами: бетоном и арматурой, функционирующими сов--местно, что адекватно последовательному соединению элементов в системе. Надежность таких систем всегда ниже надежности отдельных элементов.

Связи сваи с грунтом определяют конструктивные параметра свай: длину, площадь боковой поверхности, площадь острия (уширения),форму продольного сечения сваи. Основное функциональное назначение этих связей обеспечить неподвижность (или ограниченную подвижность) сваи

в грунте. Характер отказа этих связей постепенный, обусловленный накоплением осадок сваи в грунте до величин, предельно допустимых по условию нормальной эксплуатации сооружений, расположенных на фундаменте. Появление таких осадок согласно СНиП может произойти в случае, если С^//^ ) 0, то есть, если несущая способность сваи ока-

жется меньше действующей нагрузки. Вероятность события Q ( i< 0)» » <?(<?), соответствующая отрицательным значениям аргумента 2 определяется по (14). Подставляя значения (2 (Я) и <?(<Г) в CI8), найдем вероятность отказа отдельной сваи.

2.5. Разработка метода расчета надежности системы "свайный фундамент - основание"

В основе функционирования всякой системы лежат определенные, обусловленные целевой функцией системы, отношения с входящими в этУ систему элементами. Исследование этих отношений и составляет сущность исследования надежности системы. В теории надежности отношения между . элементами и системой называются структурными отношениями, а процесс j их исследования - исследованием структуры системы. Следует подчерк- | нуть, что структурные отношения не являются случайными (поскольку они предопределены целевой функцией), поэтому теоретический аппарат Струк-' турного анализа существенно отличается от теоретического аппарата, используемого для исследования функционирования отдельных элементов. Изложим основы этой теории, необходимые для построения метода расчета надежности системы СФО.

Поскольку состояние системы определяется полностью состоянием I ее элементов, то можно записать следующую зависимость:

V ~ г

где х = ( «гг,...,л*) - вектор состояния системы;

хг - индикатор состояния ¿-го элемента такой, что 4

если /-ый элемент работоспособен, если ¿'-ый элемент отказал.

Тогда состояние системы

(I, если система работоспособна, (.0, если система отказала.

Функция tp (я?) называется структурной функцией системы. Если система работоспособна тогда и только тогда, когда работоспособны все ее элементы, то очевидно можно записать

V>C*)=Tl*£. (20)

Такая структура называется последовательной.

Х.-11*

1 10,

Если же система работоспособна тогда и только тогда, когда работоспособен по крайней мере один из ее элементов, то структурная функция такой системы будет им|ть вид

<рсх) = У-Ш/'Л:^. (21)

I * 1 .

Такая структура называется параллельной.

В теории надежности (Р. Барлоу, ф. Прошан, И.А. Ушаков) доказывается, что если ср есть монотонная .структура, включающая к элементов, то < "к

■Пх.*<?г*)*1-п\с*-х£). (22)

Иными словами, характеристики любой монотонной системы ограничены снизу характеристиками последовательной системы и сверху - характеристиками параллельной системы.

В каждой монотонной системе можно выделить определенное количество элементов необходимых для функционирования системы (либо, наоборот, - определенное количество элементов, отказ которых вызывает отказ системы). При этом, подмножество элементов, обеспечивающих значение структурной функции системы (х) = I (то есть, необходимых для функционирования системы) называется вектором минимального пути. Подмножество элементов, отказ которых приводит к отказу системы (то есть, (р (х ) = 0) называется вектором минимального сечения. Смысл этих определений поясним на примерах свайных фундаментов, показанных на рис. I.

а) б)

0 ©

© ©

Рис. 5. Свайные фундаменты под колонну, состоящие из 3-х и 4-х свай.

Для фундамента из трех свай очевидно, что его нормальное функционирование возможно только при работе всех трех свай. Следовательно, вектор минимального пути для данного фундамента Х1п= ( х1, ЯГ,). В случае отказа любой из трех свай произойдет отказ фундамента, следовательно, векторами минимальных сечений для этого фундамента будут:¿V* -хК .

При увеличении количества свай до 4-х отказ одной сваи не является обязательным условием отказа фундамента, поскольку запас несу-

щей способности оставшихся трех свай как правило компенсирует выход из строя одной сваи. Следовательно, для данного фундамента векторами минимальных путей будут: х,п= х(, хг, хл \ хгя = , , ^ ; х,я = х,,

»» хг.» хл » •

При отказе двух свай естественно произойдет отказ фундамента, поэтому векторами минимальных сечений для этого фундамента будут: <*>г = , > "Чгс = > » = Лг Г» > = ^Е f 5 = « ^ » = • Работоспособность у'-го минимального пути Л/ , входящего в монотонную структ! V , можно описать функцией ^у (х) с аргументами ,

С£П>' (23)

(=1,..., т , где »7- число минимальных путей в структуре ср), которая принимает значение I, если все элементы этого пути работоспособны, и значение О-в противном случае. Физически минимальный путь можно представить себе в виде последовательного соединения элементов, выход любого из них из строя приведет согласно (23) к значению у/ ( X / =0) а 0.

Если в структуру ^входит г» минимальных путей (так для фундамента на рис. 5, б /«=4), то очевидно, что эта структура будет функционировать до тех пор, пока будет функционировать хотя бы один •• минимальный путь. Математически это можно записать следующим образом:

т

Ч>&) = 1-Ц[ <-/>;(£)]. (24)

Эизически такую систему можно представить себе в виде параллельного соединения последовательных структур минимальных путей (рис.6).

а) б)

г-Ф-®-®-]

Рис. 6. Структурные схемы минимальных • путей для свайшх фундаментов, показанных на рис. 5.

Аналогичным образом, с ]-м минимальным сечением Су монотонной структуры^ можно связать функцию ^ ( х) с аргументами ,с у:

fij*)- i-n(l-x¿),

v ««9

( j = I,..., % , где ?- число минимальных сечений в структуре ср ), которая принимает значение 0 в случае, если все элементы у-го минимального сечения откажут, и I - в противном случае, физически минимальное сечение можно представить себе в виде параллельного соединения элементов, состоянию отказа которых будет соответствовать значение 0{х/х.а 0) = 0.

v

Если в структуру V входит £ минимальных сечений, то такая структура в целом откажет тогда и только тогда, когда откажет хотя бы одно минимальное сечение. Математически это можно записать следующим образом:

-% С•а)' (2б)

Физически такую систему можно представить в виде последовательного соединения параллельных структур минимальных сечежй (рис.7).

а) б)

Г®1 Г®1 г®1 Т®1 Г®1 Г<2>1 г®1 г£>Т

кы

KD1 КЕи

L0J 101 10J

Рис. 7.

Структурные схемы минимальных сечении для свайных фундаментов, показанных на рис. 5.

Таким образом, любая произвольная монотонная система может быть представлена либо как параллельное, соединение последовательных структур минимальных путей, либо как последовательное соединение параллельных структур минимальных сечений.'Какую принимать схему в каждом конкретном случае зависит от вида и назначения исследуемой системы: степени изученности и характера (статический или динамический) внешних и внутренних факторов, определяющих функционирование системы; степени допускаемого риска. Перед проектировщиком свайного фундамента прежде всего стоит задача определения количества свай, необходимых для обеспечения работоспособности системы CÍO. Эта задача соответствует представлению системы CS0 в виде параллельного соединения последовательных структур минимальных -путей, поэтому для вывода формулы оценки надежности система воспользуемся выражениями (23) и (24).

Придадим ивдикатору состояния i-го элемента - бинарной переменной - смысл вероятности P¿ того, что /-ый элемент находится в состоянии работоспособности, тогда функция надежности В ( Р£ ), характеризующая вероятность безотказной работы последовательной структуры минимального пути, состоящего из к элементов согласно (23) будет иметь вид: р^р.) =ПР-

' ¿*f L ' (27)

а для содержащей ^минимальных путей:

PrpJ*f~TL(t-ñp¿) .

Для свай в пределах одной строительной площадки можно принять P¿ = = const , тогда расчетная надежность системы СФО (с учетом принятого ранее обозначения) будет равна:

P/c/-'-ff-Pfsr]m. (29)

Если по ходу решения задачи требуется определить вероятность отказа системы (Ж), то исходя из условия, что P^j + Q^j = I, полу-

чим

(30)

где а (Л) определяется согласно (18).

Воспользовавшись зависимостями (29) или (30) можно решить обратную задачу: определить ВБР (или отказа) отдельной сваи Р {3) при известной (или требуемой) надежности системы СФО, равной надежности надфукдаментного сооружения, го есть: , /с

Р^-ПЧг-Р^]'". , {31)

С помощью формул (31) и (18) легко получить зависимость (16) для определения допустимого значения вероятности отказа грунта в основании отдельной сваи.

Иногда может возникнуть необходимость оценить вероятность безотказной работы системы СФО, состоящей из Л элементов-свай, в случае, если работоспособны только А из них. Для решения этой задачи используется формула математического ожидания события, подчиняющегося биномиальному распределению:

£

*(p¿u l = Z с*:р?(/-в/*-*,

* /еА . * * ' '

где *////( Í-A)/ .

Н

Рассмотрим далее методику построения структурных схем и оценку надежности ленточных свайных фундаментов. Для таких фундаментов целесообразно использовать метод, который в теории надежности носит название "метод слабого звена". Слабым звеном в ленточном фундамен- . те, очевидно, будут участки, характеризующиеся наличием повышенного количества факторов риска, способствующих появлению отказа (например, участки ростверка, воспринимающие более высокие нагрузки). Определим количество свай, составляющих "слабое звено" в однорядном ленточном свайном фундаменте (рис. 8).

"слабое звено" _

о'о /00 ®©!оо о|

Рис. 8. Фрагмент ленточного свайного фундамента.

При отказе любой пронумерованной сваи нагрузка с отказавшей сваи, в силу, наличия резерва несущей способности, перераспределится на две соседние. Это событие обычно не приводит к каким-то заметным деформациям фундайента, поскольку запас несущей способности каждой сваи по существующей методике проектирования, определяемый произведением двух коэффициентов надежности ^ и^. , и подкрепляемый распределительной способностью ростверка, достаточен для передачи дополнительной нагрузки с отказавшей сваи на соседние в пределах деформаций соседних свай, допустимых по условию расчета по второму предельному состоянию. При отказе двух рядом расположенных свай,например , 2 и 3, нагрузка на сваи I и 4 будет уже более чем в два раза превышать их несущую способность, что может привести к недопустимым деформациям этих свай. Иными словами, в однорядных ленточных свайных фундаментах элементарным звеном, ответственным за функционирование фундамента в целом, следует считать участок фундамента, включающего не менее 4-х свай. Следовательно, для такого фундамента, применимы структурные схемы в виде минимальных путей, полученные для свайного фундамента под колонну, содержащего 4 сваи (см. рис, 6,6)

Из приведенного анализа можно сделать вывод, что в свайном фундаменте, образующем систему СФО ("столбчатые" фундамент под колонны или "слабое звено" в ленточном свайном фундаменте) не менее 3/4

свай образуют структуру минимального пути, то есть & = 0,75л. Количество минимальных путей т может быть определено на основе формулы (29), из которой следует:

m*гS(t-PíJ)/e¿[i-?CS)1']. (33)

При этом значение РуЛ принимается равным надежности надфунда-ментных сооружений. Если Р^у неизвестно, то количество минимальных путей принимаемся равным числу сочетаний из п по ?< , то есть

!/*/(»-*)/. (34)

Таким образом, изложенная в настоящем разделе методика полностью решает задачу анализа структурной схемы надежности и определения величины ВБР системы СФ0. Методика опубликована в работах автора ["42, 43, 48, 52 ] . Помимо прямой задачи - расчета надежности свайного фундамента, решение которой пока отсутствует в нормативно-технической литературе, эта методика необходима для реализации процедуры оптимального проектирования свайных фундаментов (см. раздел 2.1), в частности, оптимизации результатов инженерно-геологических изысканий (см. раздел 2.2) и определения уровня оптимального риска, необходимого для минимизации общих затрат на строительство. •

Автором разработана процедура оптимизации результатов статического зондирования грунтов для определения несущей способности свай с учетом критерия надежности, которая подробно изложена в "Рекомендациях по инженерно-геологическому обоснованию проектирования свай--ных фундаментов на намывных территориях Среднего Приобья",ЗапСиб-ПНИШС, "Ромень, 1989.

Минимизация общих затрат на строительство с учетом уровня оптимального риска хорошо разработана за рубежом. Сущность этой минимизации состоит в определении стоимости строительства с учетом затрат, связанных с ликвидацией последствий выхода из строя. Целевая функция такой процедуры (Е. Розенблгат, Е. Мендоза, труды американского общества гражданских инженеров, т. 97, 1971) задается в виде:

ст*с1+сесшс1 + ^с/' (35)

где С7 - суммарные затраты; Сх - стоимость, являющаяся функцией переменных проектирования; вероятность выхода из строя; С^ - ожидаемые затраты по ликвидации последствий выхода конструкции из строя.

Большинство методик минимизации этой функции отличается подходами к оценке величины <5Подходы эти в большинстве случаев эври-

стические, основанные на социальных критериях значимости сооружений. Не отрицая этих подходов, автор считает возможным определение Qu для минимизации стоимости строительства свайных фундаментов при помощи выражения (30). Тогда задача оптимального проектирования свайных фундаментов с учетом надежности, обусловленной классом ответственное--ти надфундаментных сооружений, получает логически завершенное решение и практическую целесообразность. Так, например, при ст роит ельст ве уникальных сооружений стоимость которых высока, значение Q^j, будет находиться в пределах 10'^ * 10"^, и общая доля дополнительных затрат Сеи не будет превышать десятых долей процента от Cz , и окажеться для заказчика не обременительной. Включение же этих затрат в стоимость объекта безусловно поднимет ответственность подрядчика и доверие к его фирме. Затраты С£и в этом случае будут представлять по существу вознаграждение за качество проектирования и строительства. ;

Наоборот, при строительстве сооружений II-III классов ответственности.^^ будет составлять КГ^, но поскольку стоимость. самих сооружений не высока, то и затраты.Сес будут не велики. В этом случае эти затраты представляют собой своеобразную плату за экономичность проектирования и строительства объекта. Ири таком подходе выигрывают обе стороны: заказчик, который рискуя некоторой суммой Сзагрееты Стак и называются "риск заказчика") получает гарантию качества и надежности сооружения, и подрядчик, который получает финансовое вознаграждение за обеспечение этой гарантии.

2.6. Выводы по второму разделу диссертации

В порядке дальнейшего развития теории проектирования свайних фу. ндаы^тов предложена замена целевой функции проектирования, выраженной в виде неравенства Fiff, вар!ационным выражением CF-лО »i—jnin. Минимизация 2 достигается статистическим методом при помощи управляющих ограничений Сем.выражения С1Э) и Cl5)):

оптимизирующих объем исходной информации и размер доверительного интервала при определен^ значений Fu N . Надежность достигнутого решения обеспечивается выполнением вероятностного требования Р^ £Р^ . Для определения расчетной ББР P^j разработана методика расчета надежности системы СФО как монотонной необслуживаемой функциональной системы с двумя иерархическими уровнями. За величину допустимой ЕБРР^а, предложено принимать уровень надежности надфундаментных сооружений.

Представление целевой функции проектирования в виде вариационною выражения CF » £ min : -

- уменьшает противоречия между детерминизмом проекгно-консгрукг-

>рских решений и статистически-вероятностной природой расчетных пара-ютров, способствуя дальнейшему развитии теории предельных состояний I решению вопросов оптимизации проектирования свайных фундаментов при юмощи ЭВМ;

- содержит критерий качества проектного решения - функционал ¿5 , соторый дает количественную оценку степени выполнения требований, на-гоженных на целевую функцию (запись в виде неравенства такого сритерия не содеркит), снижая,тем самым, величину непланируемого эмп-грического заг за надежности проектного решения;

- позволяет формализовать решение задачи оптимизации параметров ¡истемы СФО, и, тем самым, существенно снизить влияние непрофессиона-шзма проектировщиков на качество проекта.

В общем случае математическую модель статистической оптимизации мраметров Т^ и системы СФО можно представить в виде:

-СГ. у- V?; С^у,^}) =/С<*,»);

оС X / * € Со, ог; <7.2],

/ус/ > />/а. , Р^ <=£о, 9299; с? 937.

Модель состоит из трех составляющих: целевой функции (верхнее вы-, ражение), ограничений (левые выражения нижних строк) и граничных условий. Минимизация целевой функции считается достигнутой в случае удовлетворения ограничений.

Предложенный способ статистического управления параметрами, и разработанный метод расчета надежности свайных фундаментов впервые позволили объединить в одной процедуре оптимальное и надежностное проектирование. При таком пооектировании достигается равнонадежность фундамента и надфундаментного сооружения, что дает возможность дифференцировать расходы на строительство фундамента адекватно классу ответственности здания, и, тем самым, сбалансировать их надежность и зкономичн-ость •

Рассмотренный способ минимизации общих затрат на строительство с учетом уровня оптимального риска, оцениваемого по величине вероятности отказа фундаментов, а не социальных критериев,значимости зданий и сооружений, получает четкую инженерную основу для своего обоснования. Оценка общих затрат на строительство с учетом риска сегодня широко используется за рубежом в странах с большим объемом капитального строительства. Это не только способствует более четкому разграничению финансовой ответственности сторон, что бывает важно при выяснении страховых обязательств, но и стимулирует поиск оптимальных решений и способствует развитию теории проектирования. Недален день, когда такой способ минимизации затрат будет использоваться в России. Тогда, возможно, будете-востребован и предложенный расчет оптимального риска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие методов проектирования и строительства свайных фундаментов, рассмотренное в докладе, базируется на экспериментально-теоретических исследованиях, выполненных по следующим направлениям:

I. Из учение механики функционирования свай с учетом, силовых реакций грунта, возникающих при различных геолого-климатических факторах: морозном пучении грунта, просадке лессовых грунтов при замачивании, сейсмическом колебании грунта. На основе этих исследований развит принцип адаптации конструкций свай к реактивным (негативным в общем случае) воздействиям со стороны грунта, и предложены конструкции свай, форма которых превращает негативное воздействие грунта в положительный фактор функционирования свай, а именно:

1.1. Придание верхней части сваи "отрицательного" (по отношение к силам трения грунта по боковой поверхности сваи) наклона позволило направить равнодействующую нормальных сил пучения грунта навстречу касательным, и, тем самым, нейтрализовать воздействие последних на сваю. Так была предложена ромбовидная коснтрукция сваи, устойчивая в промерзающих грунтах.

1.2. Уменьшение поперечного сечения сваи в границах просадочн-ого от собственного веса грунта позволило нейтрализовать возникающие негативные силы трения грунта на боковой поверхности свай, и, , тем самым, обеспечить их устойчивость достаточно простым и эффективны).! способом. Конструкция защищена авторским свидетельством.

1.3. Перемещение сейсмовыключаацихся связей из пределов первого зтйУ.а зданий в узел сопряжения свай с ростверком, при одновременном создании неупругого буфера между боковой поверхностью свай и окружающим грунтом, существенно сжигает влияние сейсмических колебаний грунта и повышает сесмоустойчивость здания более простым способом по сравнению с традиционными. Конструкция защищена свидетельством, Ислледования устойчивости лессовых грунтов в стенках скважин большего диаметра и характера формирования прочности бетона в . стволах буронабиных свай позволили обосновать возможность бетонирования таких свай методом свободного сбрасывания бетонной смеси в скважины. Определены требования к параметрам бетонной смеси: пластичная консистенция и фракционированный крупный заполнитель из материала идентичного мелкому, что обеспечивает равенство ускорений свободного падения.составляющих бетонной смеси, и исключает ее расслоение при заполнении скважины.

3. Изучение физико-химических изменений свойств грунтов под влиянием силовых воздействий со стороны свай позволили совершенств-

овать методы оценки свойств и параметров грунтов как оснований свайных фундаментов, направленных на более полное обеспечение несущей способности свай. В частности:

3.1. Изучение минералогического состава грунтов Среднего Прио-бья и характера их поведения при погружении свай позволили установить склонность этих грунтов к тиксотропным явлениям (позднее В.Т. Трофимов характеризовал эти грунты как "квазитиксотропные"), характеризуемых изотермическим фазовым превращением типа "гель-золь-гель". При этом было установлено, что вторичное превращение золя в гель приводит к более высокой степени упрочнения грунта. Предложен численный показатель и разработана классификация грунтов Среднего Прио-бья по степени их тиксотропного разупрочнения, предложены методы учета этого явления при различных способах оценки несущей способности свай.

3.2. Изучение реактивного сопротивления лессовых грунтов горизонтальным силовым воздействия!,! со стороны свай позволили установить характер формирования интенсивности упругой реакции этих грунтов на боковой поверхности забиньк и набивных свай и существенно уточнить значения коэффициентов пропорциональности, используемых при расчете свай на сейсмические воздействия. На основе этих исследований были составлены региональные таблицы значений этих коэффициентов, использование которых существенно повысило эффективность проектных решений.

4. Изучение теоретических основ проектирования свайных фундаментов по предельным состояниям позволило установить источники необоснованного эмпирического резерва несущей способности, заключенные как в самой математической модели метода за счет наложения жестких требований на целевую функцию, так и в статистическом методе вычис-чения параметров, входящих в эту функцию. Для изъятия этого резерва было предложено:

4.1. Выразить целевую функцию метода предельных: состояний в виде вариационного выражения (9), требующего выполнения минимизации запаса работоспособности системы "свайный фундамент - основание" (СФО). Численное значение запаса работоспособности устанавливается при этом как "вероятность непревышения" по интегралу вероятности Лапласа. Надежность системы при этом обеспечивается введением условия (12), не допускающего превышения заданной вероятности безотказной работы (ВЕР) системы над расчетной вероятностью.

4.2. Для управления параметрами вариационного выражения (9) зведено требование (13) оптимизации объема статистических выборок,

используемых для определения этих параметров, и требование (15), ограничивающее значение уровня значимости статистических характеристик- веди чиной отказа несущего элемента фундамента (свай) по грунту

по выражению (16).

4.3. Для расчета ШР системы СФО потребовалась разработка метода расчета надежности системы, что и было осуществлено с позиций теории системного анализа. При этом система СФО была представлена в виде двухуровневой адрархической системы, отображающей функционирование отдельных свай - первый уровень, и системы СФО в целом - второй уровень. Метод оценки надежности каждого уровня индивидуален, и обусловлен его структурой: для отдельных свай (как для простых систем) это известный в теории надежности "метод непревыаения", а для системы СФО - метод структурного анализа. При этом было обосновано отнесение системы СФО к монотонно возрастающим структурам, для оценки надежности которых используется достаточно простой математичесг кий аппарат.

4.4. На основе использования этого аппарата, а так же анализа функциональных условий безотказной работы свай, разработана методика построения структурных схем надежности различных типов свайных фундаментов и получены выражения для численного определения их надежности (27 + 31).

Достоинства предлагаемой методики проектирования состоят в адаптации расчетного аппарата к технологическим требованиям вычислительной техники: математическая модель, анализ и оптимизация системы СФО составляют единую последовательную процедуру подбора (синтеза) параметров системы, легко формализуемую в виде программы расчета на ЭВМ. При этом уровень оптимизации параметров системы СФО увязан с уровнем надежности надфундаментных сооружений, что придает оптимизации экономическую'целесообразность. Реализация этой методики проектирования без ЭВМ неэффективна, так как необходимая итерацш параметров F vi У/ с целью удовлетворения условиям (9) и (12) превратится в продолжительный и достаточно скучный процесс. Проектирование же на основе диалога с ЭВМ стимулирует творческую активность разработчика и способствует, в конечном итоге, достижению компромисса таких противоречивых требований эффективного проектного решения как его экономичность и надежность.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Об ошибках- измерений при определении модуля деформации грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов.-1969,- № 3.

2. Исследование физико-механических свойств водонасыщенных грунтов применительно к району Среднего Приобья // Нефтепромысловое строительство.-1972.- № 6.

3. Рекомендации по проектированию оснований нефтепромысловых сооружений на яаторфованных территориях Среднего Приобья / НИИОСП им.Н.М.Герсев£ ова, Гипротюменьнефтегаз.-ТЬмень.-1972 (соавтор).

4. Нормативные характеристики глинистых грунтов с примесью растительных остатков для Среднего Приобья // Основания, фундаменты и механика грунтов.-1972.-№ 2 (совместно с Коноваловым П.А.и Ивановым Ю.К.).

5. Инженерно-геологическая служба на строительной площадке. Известия ВУЗов. Геология и разведка.-1973.4.

6. Рациональные конструкции свайных фундаментов в районах Среднего Приобья. "Проблемы нефти игаза Иомени"/ ЗАПСИБНИГНИ. Научно-технический сборник. Выл.18.-ТЫень.-1973 (совместно с Ивановым Ю.).

7. Таблицы величин нормативных сопротивлений грунтов Среднего Приобья по острию и боковой поверхности свай // Нефтепромысловое строительство.-1973.-1? 10 (совместно с Коноваловым и Ивановым).

8. Указания по проектированию оснований и фундаментов жилых и гражданских зданий, возводимых на заторфованных территориях / НИИОСП им.Н.М.Герсеванова.-М.:1974 (в числе соавторов).

9. Забивные сведе, устойчивые против выпучивания // Транспортное строительство.-1975.-№ I.

10. !П1ксогрошя грунтов Среднего Приобья и ее учет при строительстве свайных фундаментов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1975. - № 3.

11. Ромбовидные сваи для условий Среднего Приобья // Промышленное строительство.-197б.-№ б (совместно с Коноваловым .Б'ригарем В.В, Хамидуллиным К.А.).

12. Оценка прочностных свойств слабых глинистых грунтов Среднего Приобья по данным статического зондирования // Нефтепромысловое строительство.-197б.-№ I. .

13. Оптимальный отдых свай в глинистых грунтах'Среднего Приобья // Транспортное строительство.-1976.-№ 3.

14. Технические условия на сваи забивные железобетонные ромбовидные. ТУ 65-163-76 / Минпроыстрой СССР. М.: 1976 (соавтор).

15. Рекомендации по определению несущей способности свай методами полевых испытаний в тиксотропных грунтах Тюменской области / . НИИОСП им.Н.М.Герсеванова, Главтюменпромстрой Минстроя СССР.-!Воыень: 1976 (совместно с Ахметшиным А.Н.).

16. Слабые глинистые грунты Тюменской области как основания фундаментов // Нефтепромысловое строительство.-1977.3 (совместно с Коноваловым и Хамидуллиным).

17. Статические испытания свай в условиях Среднего Приобья // Транспортное строительство.-1977.-№ 7.

1В. К расчету несущей способности свай в грунтовых условиях Среднего Приобья/ НИИОСП им.Н.М.Герсеванова. Сб.науч.трудов № 66.-М.: Стройиздат.-1977 (совместно .с Коноваловым и Ивановым).

19. Номенклатура и геотехнические свойства грунтов нефтедобывающих районов Западной Сибири. Проблемы нефти и газа Замени / ЗАП-СИБНИГШ. Науч.-технич.сборник. Вып.Зб.-Еомень: 1977.

20. Влияние технологии бетонирования скважин на прочность ствола буронабиных свай // Транспортное строительство.-197В.-№ 6 (совместно с Шадчиневой С.А.).

21. Бетонирование буронабивных свай в лессовых грунтах Средней Азии // Строительство и архитектура Узбекистана.-1978.-№ 7 (совместно с Шадчиневой).

22. Коэффициенты пропорциональности лессовых грунтов Средней Азии по результатам испытаний свай // Транспортное строительство.» 1978.-№ 8 (совместно с Арутюновым И.С.).

23. Рекомендации по проектированию и устройству оснований и фундаментов сооружений Тобольского нефтехимического комплекса / НШОСП им.Н.М.Герсеванова.41.: 1978 (в числе соавторов).

24. Методическое пособие по проектированию буронабивных свай на просадочных грунтах Средней Азии / Среднеазиатский филиал НИИОСП им.Н.М.Герсеванова.-Ирфон.-Душанбе: 1979 (в числе соавторов).

25. Некоторые особенности лессовых грунтов Средаей Азии в свя-зи-с применением свайных фундаментов//Конструкции жилых и общественных зданий / Сб.тр.КиевЗНИИЭП.-Киев.-1979.

26. Исследования буроопускных свай для сейсмостойкого строите-льства//Строитеяьство и архитектура Узбекистана.-1979.4? 10 (совместно с Арутюновым И.С.).

27. Исследования буронабивных свай на строительстве газетно-журнального издательства в г.Душанбе//Строительство и архитектура Узбекистана.-1979.№ 12 (совместно с Бардацким 0. Лжалладяном В.О.).

28. Новая конструкция буронабивных свай//Экономика строительства.-1980.6 (совместно с Мухтаровой С.А.).

29. Влияние метода подготовки забоя на несущую способность бур-набивных свай//Транспортноа строительство.-1980.-№ 3.

30. Состояние и перспективы свайного фундаментостроения в сейс-[ических районах Средней Азии//0бзорная информация/ТаджикИНТИ.- Ду-¡анбе.- 1980.

31. Руководство по проектированию свайных фундаментов / Госст-юй СССР, Н11И0СП им.Н.М.Герсеванова.- Стройиздат, Ы.:1980 (соавтор).

32. Пути развития свайного фундаментостроения в Средней Азии '/Строительство и архитектура Узбекистана.-1981.2.

33. Оценка армирования буронабивных свай по результатам натур-ых испытаний//Строительство и архитектура Узбекистана.-1981.-№ 6.

34. Исследования несущей способности буронабиных свай-стоек '/Основания.фундаменты и механика грунтов.-1981.I (совместно-с рутюновым И.С.).

35. фундаменты здания, сооружения. Авторское свидетельство ' 910988 (совместно с Юйдашевым М.А.).

36. Забивная 'свая. Авторское свидетельство № 945283.

37. Исследования забивных висячих свай в водонасыщенних лессо-ых грунтах Средней Азии//Строительство и архитектура Узбекистана. 1982.-$ 8.

38. Особенности изысканий просадочных грунтов применительно к троительству спайных фундаментов в сейсмических районах//Инженерная еология.-1983.-№ 4.

39. Сооружение фундаментов из буронабивных свай-стоек в лессо-ых грунтах/механизация строительства.-1983.-№ 10 (совместно с Са-ойским В.А.).

40. Поучительный случай деформации оснований теплотрассы при троительстве на заторфованных территориях//Основания«фундаменты и еханика грунтов.-1985.-№ I.

41. У вопросу оценки надежности изгибаемых железобетонных эле-:ентов/Д>етон и железобетон.-1986.-ДО II.

42. Теоретические основы расчета надежности свайных фундаментов его практические приложения//Проблеш жилищно-гражданского строите—

ьства в Западно-Сибирском нефтегазовом комплексе/СибЗНИИЭП. Сб.Науч. рудов.- Новосибирск: 1987.

43. Функционально-системный метод оценки надежности свайных ундаментов//Промышленное строительство.-1988.7.

44. Оптимальное проектирование - основа безотходного строитель-тва свайных фундаментов в условиях ЗСНГК//Меха!шзированная безотхо-ная технология возведения свайных фундаментов из свай заводского

изготовления / Сб.докладов Второго Всесоюзного совещания.-Владивосток: 1988.

45. Концептуальные вопросы оптимального проектирования свайных фундаментов в условиях ЗСНГК//Повышение эффективности капитального строительства в Западно-Сибирском нефтегазовом комплексе/СибЗНИИЭП. Сб.науч.трудов.-Новосибирск: 1988.

46.Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию и проектированию свайных фундаментов на намывных территориях Среднего Лриобья / ЗАПСИБПНИИИИС.- Тюмень: 1989 (совместно с Хасановым М.Ф., Кривенюком А.Н.).

47. Технические условия на сваи забивные железобетонные ромбовидные. ТУ 102-526-89 / Миннефтегазстрой СССР.-М.: 1989 (соавтор).

48. Надежность свайных фундаментов в сложных инженерно-геолоп ческих условиях Западной Сибири//Обзорная информация. ВыпЛ/ВШИТА] М.: 1989.

49. Совершенствование методов расчета свайных фундаментов// Промышленное строительство.-1989.-№ 9.

50. Методика проектирования свайных фундаментов в тиксотропню гоунтах Тюменской области / Миннефтегазстрой СССР, НИПИинжнефтегаз-строй.-М.: 1989.

51. Снижение запасов несущей способности и расчет надежности свайных фундаментов на основа функционально-системного аналиэа//Со: ременные проблемы свайного фундаментестроения в СССР / И^уды 2-ой Всесоюзной конференции.-Пера»: 1990.

52. Иерархическая декомпозиция и расчет надежности системы "свайный фундамент - основание"//Надежность и констроль качества.-1990.-» II.

53. Проектирование свайных фундаментов: оптимизация результат статического зондирования//Проектирование и инженерные изыскания.-1990.-1» 4. " : .

54. Проектирование свайных фундаментов с заданным уровнем на-дежности//Промышленное строительство.-1990.-1? 8.

55. Научные основы оптимального проектирования и -расчет надеж ности системы "свайный фундамент - основание"//Проблеыы строительс ва Западно-Сибирского комплексаД1иннефтегазстрой СССР.-М.: 1990.

56. Тиксотропные грунты Ткшенской области как основания свайн фундаментов//Основания,фундаменты и механика грунтов.-1990.-» 5.

57. К вопросу статистической оптимизации проектирования систе "свайный фундамент - основание" по первому предельному состоянию / Надежность и контроль качества.-I99I.-W 2.

58. К вопросу оптимизации решения предельного неравенства при гаектировании свай по первому предельному состоянию//11ромышленое •роитель ство.-1991.-№ 12.

59. К вопросу стандартизации уровня значимости при статистичес->й оценке несущей способнсоти грунтов в основании фундаментов // нежность и контроль качества.-I99I.-J? 10.

60. Совершенствование теории проетирования - резерв повышения-зфективности свайных фундаментов//Проблемы свайного фундаментостро-1ия / Труды III международной конференции. Часть II. Пермь: 1992.

61. Повышение эффективности проектных решений на основе совер-гнствования теории про ектирования//Промшл енн о е строительство.-?92.-№ 9.