автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Экспериментальное исследование работы грунтового основания, вытрамбованного под фундамент-оболочку

Введение.

1. Обзор опыта применения фундаментов-оболочек и методов устройства фундаментов вытрамбовыванием

1.1. Опыт применения фундаментов-оболочек.

1.2. Использование метода вытрамбовывания котлованов в фундаментостроении.

2. Теоретические предпосылки проведения экспериментальных и расчетных работ.

2.1. Краткая характеристика предлагаемого способа устройства фундаментов-оболочек.

2.2. Теоретические предпосылки обоснования параметров штампа для вытрамбовывания "целика" под фундамент-оболочку

2.3. Краткие предпосылки к разработке метода расчета несущей способности и осадки фундамента-оболочки

3. Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях

3.1. Результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях

3.2. Результаты полевых экспериментальных исследований

4. Практическое применение результатов работы и их технико-экономическая оценка.

4.1. Методика расчета.

4.2. Практическое внедрение и технико-экономическая оценка

Выводы.

Затраты железобетона на фундаменты в современном строительстве составляют 15 - 20% общего расхода железобетона на здание или сооружение. Наибольшее распространение в практике строительства промышленных зданий получили столбчатые фундаменты под несущие колонны.

Значительного снижения веса фундаментов и повышения удельной несущей способности по материалу можно достичь применением оболочек, для которых характерно действие сжимающих и растягивающих напряжений при относительно небольших изгибающих моментах.

Одним из важнейших вопросов применения фундаментов-оболочек, сдерживающих их широкое применение, является технология производства работ. В настоящее время дно котлована по форме и размерам оболочки выравнивается вручную или по дну плоского котлована укладывается уплотненный грунт, верх которого выровнен по форме оболочки.

В отдельных случаях оболочку устанавливают на железобетонную плиту. Таким образом, большим недостатком этих способов является необходимость затрат ручного труда.

Вместе с тем в фундаментостроении получили достаточно широкое распространение фундаменты в вытрамбованных котлованах (ФВК), технология устройства которых имеет существенное достоинство, заключающееся в том, что одним процессом - вытрамбовыванием, достигается устройство котлована для фундамента и уплотнение грунта, обусловливающее повышение несущей способности грунтового основания.

Для повышения эффективности фундаментов-оболочек за счет увеличения удельной несущей способности, в т.ч. за счет снижения удельной массы фундамента, в институте БашНИИстрой разработан способ возведения фундаментов-оболочек [49], при котором металлическим штампом, имеющим форму и размеры, повторяющие внутреннюю форму и размеры конической железобетонной оболочки, вытрамбовывается основание в виде уплотненного "целика" грунта. Штамп погружают ударным методом, после извлечения на грунтовый "целик" устанавливается готовая железобетонная оболочка с узлом крепления колонны здания. Для внедрения в практику предлагаемого метода требуется прежде всего исследовать процесс образования грунтового "целика" при вытрамбовывании для того, чтобы определить оптимальные параметры штампа, обеспечивающие не только уплотнение грунта, но и его сохранность при отрыве штампа.

При проектировании фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании возникает проблема определения расчетных характеристик грунта, уплотненного в процессе вьгграмбовки, поэтому требуется провести исследования, в том числе в натурных условиях, по выявлению формы уплотненного грунтового ядра и степени изменения характеристик грунта.

Целью диссертационной работы является научное обоснование предложенного автором способа сооружения фундаментов-оболочек на вытрамбовыванном грунтовом основании с постановкой следующих задач:

- исследование процесса образования грунтового основания фундамента-оболочки методом вытрамбовывания с определением оптимальных параметров штампа для вытрамбовки;

- разработка методики расчета несущей способности фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании;

- разработка элементов технологии вытрамбовывания грунтового основания под фундамент-оболочку.

Научная новизна заключается в том, что

- предложен на уровне изобретения метод устройства фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании;

- разработан метод расчета оптимальных параметров конического штампа для вытрамбовывания грунтового основания;

- предложена методика расчета несущей способности фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложен и разработан метод устройства фундаментов-оболочек нап вытрамбованном грунтовом основании с использованием имеющихся в строительной отрасли сваебойных агрегатов. Метод позволяет получать вы-трамьованное грунтовое основание по форме фундамента-оболочки без применения ручного труда и получить значительную экономию бетона. Рзработана методика расчета несущей способности фундаментов-оболочек для практического проектирования.

На защиту выносятся:

- предложения по способу возведения фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях по обоснованию и проверке предложенного метода;

- методика расчета несущей способности фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и публиковались в трудах V и VI международных конференциях по проблемам свайного фундаментостроения (Тюмень 1996, Уфа 1998), III Украинской научно-технической конференции по механике и грунтов и фундаментостроению (Одесса 1997), международной научнопрактической конференции по геотехнике (Пенза 1999), сборниках научных трудов (Уфа 1996), получен патент № 2101420 на способ возведения фундаментов-оболочек (1998).

Содержание проведенных работ опубликовано автором в 7 печатных изданиях.

Исследования проведены в институте БашНИИстрой (г. Уфа) и на кафедре "Технология строительного производства и фундаменты" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложен и разработан метод устройства фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании с использованием имеющихся в строительной отрасли сваебойных агрегатов. Метод позволяет вести сооружение фундаментов без применения ручного труда и получать значительную экономию бетона. Разработана методика расчета несущей способности фундаментов-оболочек для практического проектирования.

Внедрение в производство. Результаты работы использовались при проектировании фундаментов цеха воздушных компрессоров, осушки воздуха и дожимной компрессорной комплекса переработки Карачаганакского конденсата. Общий экономический эффект от их внедрения составил 24270 рублей в ценах 2000 г.

Выводы

1. Результаты экспериментальных исследований показали, что предложенная технология вытрамбовки грунтового основания под фундаменты-оболочки (патент № 2101420) практически осуществима в пылевато-глинистых грунтах с помощью дизель-молотов, имеющихся в распоряжение строителей.

2. При опытной проверке в полевых условиях с проведением статических испытаний установлено, что при работе фундамента-оболочки на вытрамбованном грунтовом основании удельная несущая способность фундамента по материалу превышает в пять раз удельную несущую способность фундамента на естественном основании.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что одним из основных условий применения предложенной технологии является сохранность вытрамбованного грунтового "целика" при отрыве штампа от грунта. При этом основными параметрами влияющими на формирование и сохранность "целика" являются: показатель текучести пылевато-глинистого грунта и величина угла наклона образующей конического штампа.

4. Установлено, что рациональной областью применения предлагаемой технологии являются пылевато-глинистые грунты с показателем текучести от полутвердой до мягкопластичной включительно. Для этой области грунтовых условий универсальным штампом может служить штамп с углом наклона образующей а = 45°.

5. Экспериментальными исследованиями в полевых условиях с применением статического зондирования оценены форма и размеры уплотненной зоны грунта ниже подошвы погруженного штампа.

6. По результатам экспериментальных исследований, проведенных в полевых условиях разработана методика определения расчетной нагрузки на фундамент-оболочку при вытрамбованном грунтовом основании по данным статического зондирования. Эта методика дает возможность получения значения расчетной нагрузки на фундамент-оболочку при предельной осадке не более 40 мм, как это принято для определения несущей способности при традиционной технологии устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах.

7. Наличие в строительных организациях мобильных сваебойных агрегатов с дизель-молотами с ударной массой до 2,0 т позволяет вытрамбовывать грунтовое основание под фундаменты-оболочки с нагрузкой до 600 кН.

8. На принятом для вариантного проектирования объекте: цех воздушных компрессоров, осушки воздуха и дожимной компрессорной комплекса переработки Карачаганакского конденсата, при замене столбчатых фундаментов на естественном основании на фундаменты-оболочки на вытрамбованном грунтовом основании получен экономический эффект в размере 24270 руб. в ценах 2000 г.

9. Дальнейшим направлением исследований может служить опробование в полевых условиях предложенной технологии в условиях залегания просадочных пылеватс- глинистых грунтов, где используется традиционная технология монолитных фундаментов в вытрамбованных котлованах. но

1. Багдасаров Ю.А., Крутов В.И. Конструкция фундаментов в вытрамбованных котлованах //Жилищное строительство. 1979. № 9.

2. Багдасаров Ю.А. Пичугин А.П., Ефимов В.И., Симонов Ю.Г. Опыт сельскохозяйственного и жилищного строительства на фундаментах в вытрамбованных котлованах с уширением основания / / Основания, фундаменты и механика грунтов. 1984. № 3. с. 7-9.

3. Берман В.И., Цесарский A.A. Об эффективности применения комбинированных свай / Технология и оборудование для специальных строительных работ. Сб. тр. ВНИИГС. Киев. 1986. с. 74-81.

4. Божко А.Г. Производство работ по вытрамбовыванию котлованов /Тезисы докладов на IX Всемирном совещании. В кн. Закрепеле-ние и уплотнение грунтов в строительстве. М.: Стройиздат. 1978.

5. Божко А.Г., Джумаев K.M., Крутов В.И. Опыт устройства фундаментов на просадочных грунтах в вытрамбованных котлованах / Основания, фундаменты и механика грунтов. 1977. № 1.1Н

6. Буланкин Н.Ф., Иванов В.Ф. Исследование комбинированных свайных фундаментов / Сб. науч. трудов Красноярского Промстрой-НИИпроекта. 1987. с. 67.

7. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложение в технике. М. Л.: ГИТТЛ, 1949, - 784 с.

8. Гончаров Б.В., Ковалев В.Ф., Шеменков Ю.М. О динамическом контроле несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах. //Эффективные основания и фундаменты в условиях Урала и Западной Сибири / Тр. НИИпромстроя. Уфа. 1991. с. 64-71.

9. Готман А.Л. Принципы технической и экономической целесообразности применения безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений // Вопросы фундаменто-строения / Сб. тр. БашНИИстрой. Уфа. 1994.

10. Готман AJL, Галеев Р.Г., Шеменков Ю.М. Односвайные фундаменты под опоры трубопроводов / Энергетическое строительство. 1988. № 10. с. 19-21.

11. Готман АЛ., Фукс М.З., Галеев Р.Г. Односвайные фундаменты из свай-оболочек и штампонабивных свай под тяжелонагруженные опоры трубопроводов / Свайные фундаменты. Тр. НИИпромстроя. Уфа. 1984. с. 37-48.

12. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

13. ГОСТ 12248-78. Грунты. Методы лабораторного определения сопротивления срезу.

14. ГОСТ 20069-81. Грунты. Метод полевого испытания статиче ским зондированием.

15. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.

16. Зиязов Я.III., Готман АЛ. Опыт применения односвайных фундаментов под колонны / Энергетическое строительство. 1978. № 2. с. 75-77.

17. Калнинс А. Исследование оболочек вращения при действии симметричных и несимметричных нагрузок // Прикладная механика / Тр. амер. общества инженеров-механиков. М.: Мир. 1964. т. 31. №3. с. 112-122.

18. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек. Высшая школа. М.:. 1963.1I

19. Константиновекий Д.Н., Третьяков Б.В. Фундаменты в вытрамбованных котлованах повышенной несущей способности для промышленных зданий и сооружений / Промышленное строительство. № 10. с. 32-34.

20. Климанов В.И., Лшвиненко А.Г., Макаров А.И., Коваева В.П. К расчету конической оболочки на упругом основании // Труды IV Всесоюзной конференции по статике и динамике пространственных конструкций / КИСИ. Киев. 1978. с. 139-142.

21. Коваленко А.ДГригоренко Я.М., Ильин Л А., Полищука Т.И. Расчет конических оболочек при антисимметричных нагрузках. Киев. Наукова думка. 1966. 495с.

22. Кругов В.И. Фундаменты в вытрамбованных котлованах / VII Дунайско-Европейская конференция по механике грунтов и фунда-ментостроению. Кишинев, сент. 1983. т. 2, секция 3. с. 113-120.

23. Кругов В.И., Бащасаров Ю.А., Рабинович И.Г. Фундаменты в вытрамбованных котлованах. М.: Стройиздат. 1985. с. 163.

24. Кругов В.И., Джумаев К.Н. Ленточные прерывистые фундаменты в вытрамбованных котлованах на просадочных грунтах / Строительство и архитектура Узбекистана. 1977. № 4.

25. Кругов В.И., Рафальзук В.Л., Власов Ю.В. Фундаменты в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием / Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978. № 3. с. 3-6.

26. Кругов В.И., Стародворский В.В., Шаевич В.М. Конструкции фундаментов в вытрамбованных котлованах для объектов arpo1. Нкпромышленных комплексов в сейсмических районах / Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983. № 5. с. 8-11.

27. Маслов H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.: "Высшая школа", 1982.

28. НИИОСП. Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах. М.: Стройиздат. 1981. с. 56.

29. НИИпромстрой. Рекомендации по расчету оснований фундаментов мелкого заложения по данным статического зондирования. Уфа, 1985.

30. Облегченные фундаменты зданий и сооружений и оборудования применительно к местным грунтовым условиям // Отчет о НИР. Рук. Швец В.Б. / Уральский промстройНИИпроект. Свердловск. 1967.

31. Пеликан И., Ленкен П. Сборные преднапряженные фундаменты-оболочки с последующим натяжением арматуры. Отчет технического университета инженеров строительства и транспорта . Будапешт 1962.

32. Пилягин Л.В., Глушков В.Е., Лаврентьев В.А. Опыт внедрения фундаментов из свай в вытрамбованном ложе в грунтовых условиях Марийской АССР / Перспективы применения ФВК. Тез. докл. конф. Пенза. 1986. с. 30-32.

33. Потапов С.Н., Чухаев А.К„ Григорюк Г.К., Кокуевич В.И. Применение фундаментов под каркасные здания в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием. / Промышленное строительство. 1984. № 11. с. 9-10.

34. Рабинович И.Г. Фундаменты в вытрамбованных котлованах на строительстве сельскохозяйственных зданий в Нечерноземье // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983. № 5. с. 11-13.

35. Рабинович И.Г., Бухаров В.Е. Фундаменты в вытрамбованных котлованах // Сельское строительство. 1981. № 5.

36. Рыбаков A.B., Гончаров Б.В., Коган В Л., Коган В.В. Способ возведения фундамента-оболочки. Патент № 2101420. Бюллетень изобретений № 1, январь 1998.

37. Ручкин В.П. Расчет днищ резервуаров на сплошном упругом основании. Канд. диссертация. Москва. 1956.

38. Сечи К. Современные конструкции и методы возведения фундаментов. Будапешт 1963.

39. СНиП 2.02.01 ~83.тОснования зданий и сооружений. М.: 1985. с^ 54. СНиП 1.02.07-87. Инженерные изыскания для строительства iх 55. СН 448-72. Указания по зондированию грунтов для строительства. М.: Стройиздат, 1972.

40. Тетиор А.Н. Фундаменты-оболочки для промышленных зданий //Промышленное строительство. " 12. 1965.I

41. Тетиор А.Н. Метод фотоупругости в исследованиях фундаментов-оболочек. Сборник трудов УралпромстройНИИпроекта. 1967.

42. Тетиор А.Н. Исследование облегченных железобетонных конструкций, взаимодействующих с грунтом. Дисс. на соискание ученой степени докт. техн. наук. Свердлвск, УПИ им. Кирова, 1973.т

43. Тетиор А.Н. Проектирование и сооружение экономичных конструкций фундаментов. Киев. Будивельник. 1975. с.204.

44. Тетиор А.Н., Литвиненко А.Г. Фундаменты-оболочки. М.: Стройиздат, 1975. 136с.

45. Усманов М.Н., Гончаров Б.В., Шеменков Ю.М. Оценка сопротивления фундаментов в вытрамбованных котлованах горизонтальной нагрузкой по данным вытрамбовки / Сб. трудов БашНИИст-роя. Уфа. 1996. с. 114-120.

46. Фомичев В.П., Цинкер Л.Н. О рациональных размерах фундаментов // Технология и механизация строительного производства: Сб. статей/РИСИ. Ростов-на-Дону, 1974. С. 75-84.

47. Цытович Н. А. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1951.

48. Чернина B.C. К расчету оболочек вращения на сплошном упругом основании // Механика и машиностроение. 1962. № 5. с. 95101.

49. Чернина B.C. Статика тонкостенных оболочек вращения. М.: Наука. 1968.456с.

50. Banerjee S. P. Foundations of engineering structures. Calcutta,1964.

51. Banerjee S.P. Use of hyperbolic-paraboloid shell in footing foundation. Calcutta. 1964.

52. Baluzsy B. Küionieges alapozusok mernoki elotervezes. Budapest1965.

53. Candela F. The shell buildier. Reinhold-publishing. Co. N.Y.1963.

54. Chaverka Zvard. Georidlinedrnej redukcie plosne konstrukcii a jej numericke aplikacie. Bratislava. 1961.

55. Nicholls R. Design and jesting of con and hypar footing. Proc. ASCE. v/ 94, N.Y. 1968.

56. Minai C. Fundatii izolate prefabrice de tip hypar cu inelul de baza precomprimat / Revista consstructiilor si a materialelor. 1969. № 4.

57. Minami K. Reserch on shell foundations. Tjkyo. 1949.

58. Fundamenty. Warszava, Arkady, 1966.

59. Zielinski A. Prefabiykaeia fundamentow i podziemnich kondygnacji budynkow. inzeniria biidownictvo. 1965.

60. Szeczy K. Alapozas. T. II Miiszaki konyvkiado. Budapest, 1965.