автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Фундаменты из двуконусных свай для транспортного строительства

На правах рукописи

00553912*

ДОБРЫНИН Антон Олегович

ФУНДАМЕНТЫ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ^оя 2013

Тюмень 2013

005539124

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ГОУ ВПО ПНИПУ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор ЮШКОВ Борис Семёнович

Официальные оппоненты:

ЛУШНИКОВ Владимир Вениаминович, доктор технических наук, профессор, УралНИИпроект РААСН, главный научный сотрудник

НАБОКОВ Алексей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, ТюмГАСУ,

проректор по учебной работе

Ведущая организация:

ОАО «Пермавтодор»(г.Пермь)

Защита диссертации состоится 17 декабря 2013 г. в 12.00 часов на заседании специализированного диссертационного совета Д 212.272.01 по защите докторских диссертаций при ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет».

тел. / факс 8 (3452) 43-39-27. ЕтаН: pronozin@tgasu.ru.

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Я. А. Пронозин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В условиях широкого распространения сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтов Сибирско-Уральского региона устройство фундаментов транспортных сооружений на естественном основании требует проведения дополнительных мероприятий.

В подобных грунтовых условиях предпочтение отдается свайным фундаментам, поскольку в случае их применения несущая способность сваи по грунту превосходит силы морозного пучения, стремящиеся «вытащить» сваю. Условие устойчивости фундамента при действии сил пучения, как правило, заведомо соблюдено, поэтому необходимость проведения сезонных мероприятий (тепломелиорация, гидромелиорация и т.д.) отпадает. Во многих случаях такие сваи в процессе эксплуатации сооружения (тоннели, эстакады и т.д.) загружены не более чем на 15—30 % от своей максимальной несущей способности.

Применение свай значительной длины обусловлено необходимостью соблюдения условия устойчивости фундамента против сил морозного пучения. В то же время сегодня разработано несколько типов свай, обладающих повышенной сопротивляемостью силам морозного пучения. Это ромбовидные, двуконусные сваи, сваи с уширениями и т.д., позволяющие обеспечивать устойчивость фундамента при действии сил морозного пучения и обладающие достаточной несущей способностью для устройства на них инженерных транспортных сооружений. Исследованиями ученых, разработавших такие типы свай, доказана экономическая эффективность их применения по сравнению с призматическими сваями. Экономический эффект составляет 10-30 % в рублях и до 40 % в материалах для изготовления свай.

На кафедре «Основания, фундаменты и мосты» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) была разработана конструкция сваи, сочетающая положительные стороны пирамидальных и трубчатых свай (полых конических свай).

Конструкцией, вобравщей в себя преимущества конической сваи и обладающей повышенной сопротивляемостью действию сил морозного пучения, стала двуконусная свая, разработанная на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» ПГТУ Б.С. Ющковым, Д.С. Репецким и автором данной работы (авторское свидетельство на полезную модель РФ № 42234).

В транспортном строительстве одиночные сваи применяются крайне редко, поэтому для широкого внедрения двуконусных свай в производство актуальными являются экспериментальные и теоретические исследования особенностей взаимодействия фундаментов из таких свай с грунтовым основанием.

Степень разработанности темы исследования

На сегодня известно достаточное количество трудов российских и зарубежных ученых, работавших в области изучения явления морозного пучения, влияния его на основания и фундаменты инженерных сооружений. Автором рассмотрены основные принципы проектирования и строительства на пучинистых грунтах на основе изучения положений действующей нормативно-технической литературы; приведен обзор мероприятий, направленных на борьбу с морозным пучением; дано описание свай с конструктивными особенностями, обеспечивающими повышенную сопротивляемость свай выпучиванию в условиях сезоннопромерзающих грунтов; освещены данные исследований в области взаимодействия свай с пучи-нистым грунтом; отражены основные принципы проектирования, технологии устройства и современные данные расчета кустов свайных фундаментов на пучинистых грунтах.

Значительная часть территории Российской Федерации характеризуется распространением в верхней части инженерно-геологического разреза глинистых грунтов. Равнинный характер общирных территорий России, избыточное увлажнение в осенне-весенние переходные периоды года, длительные периоды действия отрицательных температур создают условия для возникновения опасного с точки зрения строительства и эксплуатации инженерных сооружений явления - морозного пучения грунтов. От действия этого неблагоприятного

природного явления фундаменты зданий и сооружений получают недопустимые деформации и перемещения, что приводит к ухудшению условий эксплуатации надфундаментных строений, снижению уровня их безопасности и надежности, сокращению сроков их службы, дополнительным затратам на ремонт и реконструкцию.

Проблемой морозного пучения грунтов в первой половине XX в. занимались такие ученые, как П.И Андрианов, Г.А. Бесков, Я.С. Богданов, А.Я. Боженова, Ч.А. Гогенгоглер, М.Я. Гольдппейн, Я Я. Морарескул., М.И Евдокимов-Рокотовский, В.Ф. Жуков, H.H. Иванов, П.Н. Любимов, П.И. Мельников, Л.А. Мейстер, Н.В. Орнатский, НИ Салтыков, ЯЯ Тулаев, О.С. Тэбер, А.Е. Федосов, О.И. Финк, М.Я. Чернышев и др.

Продолжили исследования Л.Г. Абрамов, Я.Д. Кочерова, К.И. Беляев, Г.Я Бредюк, Г.Ф. Горяинов, Б.И. Далматов, А.И. Дементьев, Я.А. Дорман, М.К. Дружинин, А.М. Горелик, К.В. Егерев, В.М. Егоров, В.М. Соколова, Р.В. Жаброва, A.B. Лыков, Г.П. Мазуров, Э.А. Маров, Б.Н. Мельников, В.Б. Швец, Н.Д. Меренков, В.О. Орлов, Ю.Д. Дубнов, A.B. Паталеев,

A.C. Алаев, H.A. Перетрухин, А.М. Пчелинцев, К.Ф. Рябов, P.M. Саркисян, В.М. Соколова, Д.А. Соколов, Я.А. Толкачев, И.А. Тютюнов, Н.Я. Федорова, Я.Ч. Хархута, Ю.М. Васильев,

B.А. Черкашин, Б.Л. Тарасов, А.П. Васильев, O.P. Голли, A.A. Бартоломей, Б.С. Юшков, И. А. Афанасьев и др.

Большинство исследователей сходится во мнении, что при замерзании вода, увеличиваясь в объеме примерно на 9 %, является причиной морозного пучения грунта, который, в свою очередь, может при этом увеличиться в объеме на 4-5 %. Однако величина морозного пучения грунтов может достигать 10 % и более (чрезмернопучинистые грунты), а значит, происходит подпитка промерзающего слоя дополнительной влагой из теплых нижележащих слоев. Ученые назвали этот процесс миграцией влаги к фронту промерзания. Механизмы такой миграции физически сложны и многообразны. Существует большое количество теорий, выдвинутых такими известными учеными, как НА. Цытович, A.A. Ананян, Э.Д. Ершов, М.Н. Гольдпггейн, И.А. Тютюнов и др. При этом единого мнения относительно причин такой миграции нет.

Итоговая величина морозного пучения грунта зависит от множества факторов, среди них:

- зерновой и минералогический состав грунта;

- плотность и влажность грунта в период морозного влагонакопления и промерзания;

- способность грунта сопротивляться промерзанию (теплофизические, теплоизоляционные свойства);

- геологические и гидрологические условия местности;

- климатические условия района;

- условия взаимодействия грунта с конструкциями сооружения.

Большое внимание исследователи разных лет уделяли и вопросам воздействия сил морозного пучения на погруженные в грунт фундаментные конструкции. Характер и степень воздействия этих сил на фундаменты зависит в первую очередь от глубины его заложения. При этом различают нормальные силы пучения и касательные силы пучения.

Нормальные силы пучения действуют в вертикальном направлении (по нормали к подошве фундамента) и в горизонтальном направлении (как бы обжимая фундамент в горизонтальном направлении со всех сторон).

Касательные силы пучения действуют по боковой поверхности фундамента, и величина их во многом зависит от прочности смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента.

На сегодня разработан целый комплекс мероприятий по недопущению морозного пучения грунтов оснований и выпучивания фундаментов. К ним относятся:

1) инженерно-мелиоративные мероприятия;

2) строительно-конструктивные мероприятия;

3) физико-химические мероприятия;

4) физические противопучинные мероприятия.

При этом существуют общесгроительные документы, регламентирующие методики расчетов и применение мероприятий по борьбе с морозным пучением (СНиПы, Рекоменда-

ции, Руководства), а также отраслевые и ведомственные методические рекомендации (в про-мышленно-гражданском строительстве, дорожном строительстве, мостовом строительстве), в которых отражены особенности отрасли и возводимых инженерных сооружений. Так, например, в дорожном строительстве главным методом борьбы с пучинообразованием является замена пучинистого грунта непучинистым в верхней части земляного полотна. Этот метод традиционно считается наиболее надежным и в большинстве случаев экономически целесообразным. В мостовом строительстве, напротив, при возведении опор моста принято работать с имеющимся грунтом, так как замена грунта в большинстве случаев технически сложна с точки зрения производства работ и контроля качества строительства в условиях постоянных водотоков.

Следовательно, не существует единого набора мероприятий, применив которые можно гарантированно обезопасить любое искусственное инженерное сооружение от деформаций и разрушений вследствие действия сил морозного пучения. Всегда при выборе мероприятий следует руководствоваться особенностями местных условий, применяемых материалов и конструкций, экономическими соображениями и т.д. Очевидно, что одновременное применение различных мероприятий в определенных сочетаниях позволит достичь главной цели - эффективной и безопасной работы инженерного сооружения в течение запланированного расчетного срока службы. Однако применение комплекса мер требует и комплекса затрат, что на этапе производства работ нулевого цикла существенно удорожает стоимость строительства в целом.

Конструкции свай для борьбы с морозным пучением, разработанные различными авторами, и фундаменты с их использованием, безусловно, заслуживают внимания, но, как показывает практика, не находят широкого применения. В настоящее время для устройства свайных фундаментов на пучинистых грунтах широко рекламируются винтовые сваи, но, целиком изготавливаемые из металла, они, бесспорно, проигрывают железобетонным изделиям по экономическим соображениям. Таким образом, сохраняется необходимость совершенствования самих свай и фундаментов из них, а также методов расчета свайных фундаментов с целью сведения к минимуму влияния на сооружения сил морозного пучения.

На основании проведенного анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования

Цель исследования: разработка и расчетное обоснование эффективного способа устройства фундаментов из двуконусных свай для транспортных сооружений на водонасыщен-ных пучинистых глинистых грунтах.

Объект исследования: фундаменты из двуконусных свай, внедренные в сезоннопро-мерзающие водонасыщенные глинистые грунты, для устройства несущих элементов транспортных сооружений.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние водонасыщенного пучинистого грунтового основания при взаимодействии его с фундаментами из двуконусных свай.

Задачи исследования:

-изучить закономерности изменения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, погруженных в водонасыщенный пучинистый грунт в составе фундамента в виде куста, от действия сил морозного пучения;

- выявить особенности взаимодействия фундаментов из двуконусных свай и одиночной сваи по результатам статических испытаний и определения несущей способности, сил трения по боковой поверхности свай, изучения распределения напряжений и деформаций в активной зоне;

- разработать методику расчета величины вертикального перемещения фундамента из двуконусных свай силами морозного пучения.

Научная новизна исследования

На основании результатов экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности совместной работы фундаментов из двуконусных свай с водонасыщенным глинистым грунтом, которые позволили разработать аналитический метод расчета вертикальных перемещений фундаментов от действия сил морозного пучения.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

- в доказательстве экономической эффективности использования фундаментов в виде кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах на основе разработанной методики расчета, позволившей приблизить несущую способность сваи по материалу к несущей способности грунта;

- в разработке инженерного метода расчета фундаментов из двуконусных свай по деформациям пучения.

Результаты исследования реализованы:

- в проекте фундаментов при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия 000«Урал-Тайзер», г. Пермь. Экономический эффект составил 314 тыс. руб. в ценах 2011 г. (Акт внедрения научно-исследовательской работы ГОУ ВПО ПНИПУ-ООО «Урал-Тайзер» от 29.03.2013г.);

- в разработке «Рекомендаций по применению фундаментов из двуконусных свай на пучинистых грунтах транспортных сооружений». Документ утвержден на уровне Министерства транспорта Пермского края;

-в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты транспортных сооружений» для студентов, обучающихся по учебным планам специальностей САД и МТТ.

Методология и методы исследований:

1) анализ существующих методов борьбы с морозным пучением в транспортном строительстве на основе отечественного и зарубежного опыта;

2) проведение экспериментальных исследований по определению величины выпучивания куста из двуконусных свай силами морозного пучения в полевых условиях;

3) анализ данных наблюдений:

- за величиной вертикальных перемещений свайного фундамента, вызванных силами морозного пучения;

- глубиной промерзания грунтового основания;

- изменением суммарной величины касательных сил морозного пучения, действующих на свайный фундамент с течением времени;

4) разработка инженерного метода расчета фундаментов из двуконусных свай по деформациям пучения;

5) проведение полевых экспериментальных исследований взаимодействия кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом;

6) анализ данных полевых наблюдений взаимодействия свай с грунтом и НДС грунтового основания в процессе статического нагружения фундамента;

7) оценка технико-экономической эффективности применения фундаментов из двуконусных свай согласно «Инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений» СН 509-78;

8) сравнение результатов, полученных экспериментальным путем, с расчетными величинами.

Положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения вертикальных перемещений кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах от действия сил морозного пучения, выявленные на основании выполненных комплексных экспериментально-теоретических исследований;

- расчетная схема и инженерный метод определения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, работающих в составе кустов, от действия сил морозного пучения;

- выявленные зависимости несущей способности фундаментов из двуконусных свай, сил трения по боковой поверхности свай, распределения напряжений и деформаций в активной зоне основания на основе результатов комплексных экспериментальных исследований;

-основные выводы и рекомендации по применению фундаментов в виде кустов из двуконусных свай;

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов обеспечивается:

- использованием в работе стандартных методов исследования, основанных на применении современных представлений о сопротивлении материалов, механике деформирования грунтов, теории упругости;

- выполнением комплексных полевых экспериментальных исследований с использованием апробированных контрольно-измерительных комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных средств измерения;

- сравнением полученных в работе экспериментальных результатов с аналитическими данными и данными других исследований.

Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (г. Пермь, 2004—2012 гг.); на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья-2004»; на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (г. Пермь, 2005 г.). Основные результаты работы изложены в 9 научных статьях, 2 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получен 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 114 наименований, в том числе 7 на иностранном языке.

Специальность, которой соответствует диссертация

Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 -Основания и фундаменты, подземные сооружения, п. 5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах»; п. 12 «Разработка научных основ, методов и конструктивных решений защиты территорий, а также конструктивных решений оснований и фундаментов, реализующих функцию защиты зданий и сооружений от опасных природных и техногенных воздействий».

П. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Проведен полевой эксперимент по определению величины вертикального перемещения куста из двуконусных свай, вызванного действием сил морозного пучения.

Для проведения натурных экспериментов были использованы железобетонные конические сваи длиной 3 м с углом сбега верхнего конуса а = 4,54° и углом сбега нижнего конуса р = 3,29° (рис. 1).

Погружение свай производилось безударным методом погружения свай установкой СВУ-В6 фирмы ООО «Урал-Тайзер» (г. Пермь). Все испытания проводились в соответствии с ГОСТ 5686-94.

Учитывая высокую стоимость и трудоемкость проведения натурных экспериментов, было решено испытать куст из 4 конических свай с шагом 3d (d -диаметр сваи в голове) и определить величину подъема каждой сваи силами морозного пучения. Эксперимент проводился в течение двух зимних сезонов.

Для измерения перемещения свай на оголовок были установлены марки в виде забитого дюбеля. Перемещения марок на оголовках свай фиксировались нивелированием относительно неподвижных реперов при помощи цифрового нивелира Trimble DM 0.3 со штрихкодовой рейкой.

Сваи не были объединены ростверком, и нагру-жение свай не производилось, так как при проведен™ экспериментов необходимо было достигнуть больших значений подъёмов свай для чёткого определения взаимодействия двуконусных свай с пучинистым грунтом. С периодичностью один раз в неделю снимался снежный покров для увеличения глубины промерзания с целью создания наиболее неблагоприятных условий Рис. 1. Геометрические характеристики для работы куста из двуконусных свай в пучинистом двуконусной сваи натурной величины грунте.

Физико-механические характеристики грунтового основания: плотность грунта р = 1,83-2,01 г/см3; коэффициент пористости е = 0,79-0,89; влажность W = 28-36 %; показатель текучести 7/ = 0,6-0,73; удельное сцепление с = 15-24 кПа; модуль деформации Е = 6,1-7,0МПа.

Установившийся уровень грунтовых вод зафиксирован на глубине 2,25-2,90 м от дневной поверхности.

Фактическая глубина промерзания, замеренная при помощи мерзлотомера, составила по сезонам 2006/2007 и 2007/2008 гг. 1,36 м и 1,52 м соответственно.

На рис. 2 приведены графики зависимости подъёма оголовков свай от времени.

Поднятие свай начинает развиваться уже тогда, когда максимальная глубина промерзания еще не достигнута, и достигает максимума после того, как начинается процесс уменьшения глубины промерзания (приблизительно через 1-1,5 месяца). После полного оттаивания грунта полного или частичного возвращения свай в сторону проектного положения не происходит.

При удалешш от уплотненной грунтовой зоны свайного куста наблюдается увеличение абсолютных значений подъема дневной поверхности, что свидетельствует о большей ™-тенсивности морозного пучения грунта в естественном состоянии по сравнению с уплотненным при погружении свай грунтом околосвайного пространства

Л, мм

11.2006 01.2007 03.2007 01.2007 01.2008 03.2008

Рис. 2. Изменение величин вертикального перемещения свай с течением времени: свая № 1 (черным); свая № 2 (красным); свая № 3 (зеленым); свая № 4 (синим)

Максимальное зафиксированное среднее вертикальное усилие, с которым силы морозного пучения действуют на сваю куста, ниже на 16-20 % по сравнению с усилием, действующим на одиночную сваю, что в конечном счете обуславливает меньшее абсолютное значение подъема свайного куста по сравнению с одиночной сваей.

Проведены экспериментальные исследования взаимодействия кустов из двуко-нусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом.

Учитывая высокую трудоёмкость и стоимость натурных исследований, было принято решение испытать кусты из 4 двуконусных свай с шагом 3с1, 4<г/ на действие центральной и внецентренно приложенной вертикальных нагрузок и сравнить с работой одиночной дву-конусной сваи, испытанной параллельно. Сваи были объединены высоким ростверком, конструкции фундаментов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Конструкции фундаментов

Для определения зависимости осадки от нагрузки, распределения нагрузки между сваями кустов, распределения сил сопротивления по боковой поверхности свай, оценки работы свайных кустов при действии горизонтальной нагрузки и изучения напряженно-деформированного состояния активной зоны грунта были проведены комплексные полевые испытания свай вертикальными нагрузками. В качестве анкерных свай использовались призматические сваи С 10-30.

Прорезаемый сваями слой представляет собой глину светло-коричневую мягкопла-стичной консистенции мощностью до 8,9 м.

Уровень грунтовых вод зафиксирован на отметке 0,8 м от дневной поверхности.

На рис. 4. приведены результаты испытаний натурных кустов статической вдавливающей нагрузкой.

Р. к| [

ü 1СЮ 200 300 400 500

Рис. 4. Результаты испытаний кустов натурной величины из двуконусных свай статической вдавливающей нагрузкой: (/) Ь=3с1, е=0; (2) Ь=4с1, е=0; (5) Ь=3е/, е=0,5Ь\ (4) Ь=4с!, е=0,5Ь;

Ъ — шаг между сваями, е — эксцентриситет

Из приведённых данных видно, что график нагрузка-осадка для куста из 4 свай с шагом 3(1 имеет более плавные очертания по сравнению с графиком для куста с большим шагом между сваями. В пластической стадии работы форма графика для куста с шагом 4<1 становится более отвесной, осадка приобретает характер «провальной», что позволяет говорить об исключении из работы массива грунта межсвайного пространства.

Р. к11

(I 20 40 60 КО НЮ 120

---- ÑT"4 i' i /- \

,/Д га"' * 4 V \

Рис. 5. Сравнение работы кустов из двуконусных свай с работой одиночной двуконусной сваи под нагрузкой: (/) Ь=Ъс1, е=0; (2) одиночная свая; (3) Ь=4с/, е=0; (4) Ь=Ъд, е=0,5Ь; (5) Ъ=Л<1, е=0,5Ь; Ъ - шаг между сваями, е - эксцентриситет

Сравнивая работу двуконусных свай в составе кустов с работой под нагрузкой одиночной двуконусной сваи, испытанной параллельно с кустами (рис. 5), можно сделать вывод о том, что работа сваи в составе куста при шаге Ъй характеризуется более высоким значением несущей способности, чем у одиночной сваи (разница составляет 12 %). Это объясняется участием в работе межсвайного грунта. При внецентренном нагружении в работу вступают горизонтально направленные силы отпора грунта, действующие по боковой поверхности сваи, основная нагрузка воспринимается боковой поверхностью свай, что и препятствует резкому нарастанию осадки.

На рис. 6 приведены эпюры распределения сил трения по боковой поверхности двуконусных свай.

в

Рис. 6. Эпюры распределения сил сопротивления по боковой поверхности свай кустов из двуконусных свай и одиночной двуконусной сваи: а — одиночная двуконусная свая; б — куст из 4 свай с шагом Ъ(1 при центральном нагружении; в — куст из 4 свай с шагом Ъс1 при внецентренном нагружении

Исследования показали, что силы сопротивления по боковой поверхности свай куста при расстоянии между сваями 3с1 больше, чем у одиночной сваи, в среднем на 12-14 %.

Характер распределения сил трения по боковой поверхности одиночной и кустовой сваи также различен: максимальные значения сил сопротивления по боковой поверхности одиночной сваи наблюдаются на участке 1/3-1/4 длины сваи, считая от острия, а у кустовых свай пиковые значения приходятся на участок от 1/5 длины сваи до острия, следствием чего, вероятно, является провальный характер осадки одиночной сваи в зоне пластических деформаций (см. рис. 5). Причиной иного распределения сил сопротивления у кустовых свай является их взаимодействие, приводящее к изменению физико-механических характеристик грунта активной зоны и увеличивающее в конечном счете несущую способность куста.

На рис. 7 показано соотношение между долями нагрузки, воспринимаемыми острием и боковой поверхностью свай, на различных стадиях нагружения в процентах.

Из полученных графических зависимостей следует, что у кустовых свай сопротивление по боковой поверхности на 12-14 % выше, чем у одиночных свай. При анализе графиков, характеризующих работу свай куста при вне-ценгренном нагружении, можно сделать вывод о том, что силы сопротивления по боковой поверхности при данном характере нагружения на 15-17 % выше, чем у свай куста при центральном загруже-нии, и на 27-31 % выше, чем у одиночной сваи.

Проведенные исследования натурных свай в водонасыщенном глинистом грунте показали, что во всех случаях происходит неравномерное распределение сил трения по боковой поверхности одиночной сваи и свай в составе кустов, что обусловлено как характером приложения нагрузки, так и непрямолинейностью пространственной формы сваи.

Развитие напряжений в глубину грунтового массива наблюдается до горизонта 4-4,5с1. При осадке £ = 2,5 см происходит преодоление сил сопротивления грунта по боковой поверхности сваи возрастающей нагрузкой, что приводит к резкому росту напряжений под острием сваи и в конечном счете к «провальной» осадке.

Анализ графиков распределения сжимающих напряжений под кустом из 4 свай и сопоставление с графиками для одиночной сваи показывают следующее:

1) напряжения под острием свай куста меньше, чем у одиночной сваи, при одинаковых осадках (в среднем на 10—15 %);

2) развитие напряжений в глубину происходит на величину также несколько меньшую, чем у одиночной сваи, а именно на 3,5-4*/.

На рис. 8 представлены графики распределения сжимающих напряжений, возникаю-

Рис. 8. Распределение сжимающих напряжений в активной зоне ниже плоскости острия двуконусных свай: а - одиночная свая; б — куст из 4 свай с шагом 3с/

100 80 60 АО 20 0

"бок

"ост

Р(0,055Л яолвл рр.гэ,)

- одиночная саая

—V»— свая куста при центральном загружении о свая куста при внецентренном загружении

Рис. 7. Соотношение между сопротивлением острия и боковой поверхности двуконусных свай, работающих в составе кустов

На рис. 9 показаны эпюры распределения вертикальных напряжений в околосвайном

Рис. 9. Распределение вертикальных напряжений в активной зоне куста из двуконусных свай: а — одиночная свах; б - куст из 4 свай с шагом Зd

Из рисунка видно, что напряжения, возникающие в грунтовом массиве при взаимодействии с кустом свай, распространяются на большее расстояние, чем от взаимодействия с одиночной сваей (для куста - в среднем на 7-8й, для одиночной - до 5(1).

Из характера распределения напряжений можно сделать вывод о том, что активная зона куста из двуконусных свай имеет грушевидную форму с максимумом в горизонтальном направлении на участке от острия до 1/4—1/5 длины свай, считая от острия. В глубину активная зона развита до 3,5-4с/. На расстоянии 1/4-1/2 длины сваи, считая от острия, напряжения можно охарактеризовать как незначительные, а в плоскости выше перехода к конусу обратной направленности напряжения настолько малы, что их можно принять равными нулю.

Размеры зон деформаций грунтового массива в ходе исследования определялись при помощи глубинных грунтовых марок (рис. 10, 11).

Рис. 10. Осадки глубинных марок в активной зоне грунтового пространства: а - одиночная свая; б — куст из 4 свай с шагом 3<1

Так, для одиночной двуконусной сваи граница зоны деформаций находится на несколько большей глубине (4,5*0, чем ДО3 куста (4с/). В плане влияние куста сказывается на расстоянии 7,5-8*/, в то время как для одиночной сваи это расстояние составляет 5с1.

Послойные осадки грунтового массива вблизи свай возрастают по мере увеличения приложенной нагрузки, однако осадки наиболее удаленных марок (М4, М8, М7 - для одиночной сваи; МЗ, М8 - для куста) начинаются не с первых ступеней нагрузки, а практически при возникновении пластических деформаций на контакте «свая - грунт».

Рис. 11. Послойные деформации грунта активных зон и изменения сжимаемой татци под сваями по мере увеличения нагрузки: а — одиночная свая; б - куст из 4 свай с шагом 3с1

Анализ осадок глубинных марок показал, что марки, расположенные под ростверком, в межсвайном пространстве и в плоскости острия свай оседают, по существу, вместе со свайным фундаментом.

Уплотненная зона грунта образуется как под острием свай, так и по их боковой поверхности. Величина этой уплотненной зоны под острием свай составляет 1,5—2с/. При этом под одиночной сваей эта зона уплотнена несколько больше, чем под сваями куста (марки М2, МЗ и марки М1, М2 соответственно). Основная осадка как в случае одиночной двуконусной сваи, так и в случае куста из двуконусных свай получает свое основное развитие в слоях грунта, расположенных ниже уплотненной зоны (марка М4 для одиночной сваи и марка МЗ для куста). В плане уплотненная зона (особенно для кустов) широко развита преимущественно на участке нижней четверти длины свай (марки М1, М5 - для одиночных свай, марки М9, М4 - для кустов). Слои грунта, прилегающие к боковой поверхности в процессе погружения свай, также довольно сильно уплотняются, и основные деформации грунтового массива в горизонтальном направлении происходят за счет перемещения слоев грунта, расположенных за уплотненной зоной.

Анализируя полученные значения осадок марок в активной зоне, можно сделать вывод о том, что у кустов из двуконусных свай за счет включения в работу околосвайного грунта с образованием несущего грунтового ядра активная зона имеет большие размеры по сравнению с одиночной двуконусной сваей, что объясняет меньшие деформации грунтовой толщи.

Разработана и численно реализована методика определения величины выпучивания двуконусных свай в составе фундаментных кустов силами морозного пучения при моделировании грунта как линейно-деформируемого пространства.

Анализ процесса взаимодействия сваи с пучи-нистым грунтом сводится к осесимметричной задаче определения усилий, возникающих на поверхности контакта абсолютно жесткого конусообразного включения с расширяющимся линейно-деформируемым слоем грунта толщиной df - глубиной промерзания.

Расчетная схема определения действующих сил показана на рис. 12.

Особенности поведения свайного куста при морозном пучении обусловлены взаимодействием полей напряжений, возникающих вокруг одиночных свай при их подъеме от морозного пучения грунта. Полная сила, действующая на сваю куста, может быть представлена в виде суммы двух слагаемых:

_ рО + р.лап ^ ^

где - сила морозного пучения, действующая на обособленную одиночную сваю (не входящую в состав куста); Г;""1 - сила, определяемая суммой полей напряжений, возникающих в грунте при подъеме свай куста, которые при этом рассматриваются как обособленные.

Таким образом, обсуждаемая задача естественным образом распадается на две: а) расчет /•;", б) расчет Т7"™.

Возможность такого разделения задачи основывается на результатах эксперимента: усилия морозного пучения грунта, действующие на одиночную двуконусную сваю и на сваю, входящую в состав куста, различаются не более чем на 16-20 %.

Задача расчета Р'г' рассматривалась в работе Д.С. Репецкого, исследовавшего взаимодействие одиночной двуконусной сваи с окружающим глинистым грунтом.

Полученные в данной работе основные результаты сводятся к следующему:

В предположении, что касательные силы морозного пучения по боковой поверхности сваи распределены приблизительно по закону треугольника, выражение для силы морозного пучения принимает вид

Р?=ШСЛ/{ЬЛ[к0(а1Я)-Яа1 + Ца1К)-2(\-у)] + 4Мъ1Щ^, (2)

о

71 Е

где а, = —; С — модуль сдвига мерзлого грунта, в =-; К — осредненный по глубине

df 2(1 +V)

промерзания грунта радиус верхнего конуса двуконусной сваи; ^ — глубина промерзания грунта; ¿0(а,Л), — функции Макдональда нулевого и первого порядка; Е — модуль

общей деформации грунта; V - коэффициент общей относительной поперечной деформации.

При этом коэффициенты находятся из условий полного прилипания грунта к поверхности сваи на глубине промерзания, что приводит к системе уравнений

Г| Ц|.-П.и.-0>

I г, Г-»

I (1|ти,=0: Щи. <Л

Рис. 12. Расчетная схема. Область аппроксимации решения и границы

[б, [4(1 - V)*, (а,Л) + а,Ж0(а,/г)] + (а,Л) = О,

2А, О)

6, [а, Д*,(а,Л) +</,*,(«*!«)= —

I л

где hJ - величина подъема свободной поверхности грунта при морозном пучении.

Приложенная по глубине промерзания нормальная к верхнему конусу сваи погонная (по периметру) сила определяется как

=-2СИг (4)

Рассмотрим две сваи, находящиеся на расстоянии а одна от другой. В силу симметрии для каждой из свай касательные напряжения, распределенные по поверхности сваи ниже глубины промерзания и сопротивляющиеся морозному пучению, определяются из следующих соображений.

Если на сваю действует сила , то средние напряжения, действующие в кольце, ограниченном цилиндрическими поверхностями г = а —Я и г = а +Я, определяются из соотношения

„_дя-г тс \a-RJ

Отсюда, разлагая логарифмическую функцию в степенной ряд и ограничиваясь первым слагаемым, найдем

" яД

1+*

¡2—. (6)

V а У

Тогда условие равновесия первой сваи запишется в виде

г„ЯЛ + 2Й1)- = Й|,). (7)

а

При подъеме сваи от неё на грунт передаются равномерно распределенные по поверхности сваи ниже глубины промерзания касательные усилия т:„=/ср, равные расчетному сопротивлению сдвигу талого грунта основания. Тогда из (9), предполагая (У" = , получаем

(8)

а- 2ЯС

где /?с - осредненный на длине (I-с!г), т.е. ниже глубины промерзания, радиус двуконусной сваи.

Напомним, что действующее на сваю погонное сопротивление грунта основания сдвигу составляет 2()2. Таким образом, подъем сваи начинается тогда, когда сила морозного пучения удовлетворяет неравенству

/V1 > [е, + 2 |а| ■■ (/ ■- <1{).+ Рп ■ 2пЯ, ■ £а]. (9)

Здесь - вес сваи; Л, - осредненный по глубине промерзания радиус двуконусной сваи; (1; - глубина промерзания грунта; / - длина сваи; а - угол сбега верхнего конуса двуконус-

Предполагаем, что в процессе подъема сваи действующая на нее выталкивающая сила морозного пучения уменьшается по линейному закону1:

Г] = !■''

1-А-

(10)

где кс - подъем сваи; - подъем свободной поверхности грунта

Подъем сваи прекратится тогда, когда выталкивающая сила морозного пучения станет меньше удерживающей силы, т.е. в случае

$ <[£ +2|а|.-К) + Ря- 2пЯ, -18а]. (11)

Пренебрегая величиной подъема сваи (входящей в состав свайного куста) !гс по сравнению с длиной сваи / и глубиной промерзания (1Г, введем обозначение

РГ* = [О, + ш ■ и -«//) + Рп • 2тг^ • 1ёа].

(12)

Рассматривая совместно (10), (11), (12), определим величину подъема каждой из двух взаимодействующих свай:

рпред ^

• ' (13)

К=ь,\\-

В силу того что в предлагаемой методике расчета величины подъема свай свайного куста, состоящего го двух свай, при морозном пучении грунт моделируется линейным деформируемым пространством, подход легко обобщается на расчет куста из п свай.

Действительно, в силу линейности задачи шоговое взаимодействие г'-сваи с остальными (и-1) сваями сводится к суммированию парных взаимодействий /'-сваи с остальными сваями куста.

В приведенных выше соотношениях требуется лишь изменить формулы вычисления для /-сваи. Условие предельного равновесия г-й сваи записывается в виде

а,

1**

Отсюда, предполагая = , получаем

= /ср*

V1

1*' У

(14)

(15)

Проведена оценка технико-экономической эффективности применения кустов из двуконусных свай согласно «Инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений» СН 509-78.

В качестве базовых вариантов были выбраны призматические сваи (как наиболее распространенные и традиционно используемые при строительстве большинства объектов) и ромбовидные (сваи, обладающие повышенной сопротивляемостью силам морозного пуче-

1 Цьгтович Н.А. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грушах. Изв. АН СССР // География и геофизика. 1995. Т. IX, № 5-6. С. 493-502

ния за счет наклонных верхних граней в зоне промерзания, описаны в диссертационной работе К. А. Хамидуллина2).

Типоразмеры сравниваемых вариантов подбирались исходя из способности сваи сопротивляться силам морозного пучения. В качестве базовых вариантов приняты призматические сваи С-6-30 по ГОСТ 19804-91 (серия 1.011.1—10в.1) и ромбовидные железобетонные сваи СР-4-30-50 по ТУ 65-163-76. В качестве интересующего варианта для сравнения принята двуконусная свая СДК-3-30-50 длиной 3 м, диаметром в голове 300 мм и максимальным диаметром 500 мм.

Разница в длинах сравниваемых вариантов объясняется так:

— для борьбы с морозным выпучиванием длину призматических свай в талом грунте увеличивают при проектировании по условию устойчивости против действия сил морозного пучения;

- для ромбовидных свай принят минимальный типоразмер по ТУ.

Экономический эффект от применения двуконусных свай по сравнению с призматическими и ромбовидными составил 30,3 и 18,5 % соответственно. Экономия бетона и стальных арматурных изделий достигает 46 и 28 % соответственно в сравнении с призматической сваей и до 19 % - в сравнении с ромбовидной.

Затраты труда основных рабочих и машинистов при погружении двуконусных свай меньше на 28 %, чем при погружении призматических, и на 20 % - чем при погружении ромбовидных. Экономия затрат на эксплуатацию машин и механизмов составляет 20-29 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований по проблеме повышения уровня надежности свайных фундаментов для транспортных сооружений путём выявления причин выпучивания свайных фундаментов силами морозного пучения и появления трещин в несущих конструкциях инженерных сооружений при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах.

2. Разработана эффективная конструкция фундамента из свай, состоящих из двух разнонаправленных усеченных конусов, позволяющая на 90 % нейтрализовать действие сил морозного пучения при расстоянии между сваями ЪЛ (й - диаметр сваи в голове). Верхний конус работает только на нейтрализацию сил морозного пучения и не включается в расчет несущей способности, его длина составляет 0,7 от расчетной глубины промерзания. Длина нижнего конуса подбирается в зависимости от требуемой несущей способности сваи.

3. В результате экспериментально-теоретических исследований напряжений и деформаций в межсвайном пространстве и активной зоне выявлено, что при расстоянии между сваями в кусте Ъ<1 сваи и зажатый между ними грунт работают как единый массив. Установлено, что основную осадку дает слой грунта, расположенный под уплотненной зоной, мощность которой под острием свай куста достигает 2(1. Выявлено, что в пластичных глинистых грунтах полное развитие сил трения по боковой поверхности достигается при осадке 20-40 мм, определяющими для формирования несущей способности куста из двуконусных свай являются грунтовые условия в нижней половине боковой поверхности сваи на расстоянии до 4(1 от острия.

4. Разработан метод расчета сжимаемости грунта по боковой поверхности и основанию двуконусной сваи в пределах зоны предельного равновесия, который позволяет определить изменение физико-механических характеристик грунта этих зон с погрешностью 10-15 % по отношению к экспериментальным данным.

5. Предложен метод расчета, в основу которого положено условие равенства работ, совершаемых силами морозного пучения, и силами, препятствующими выпучиванию нена-груженных свайных фундаментов из двуконусных свай. Метод позволяет с достаточной для

2 Хамидуллин К.А. Исследование работы ромбовидных свай в сильносжимаемых пучинистых грунтах: дис.... канд. техн. наук. М., 1978

практических целей точностью проектировать фундаменты в водонасыщенных глинистых грунтах. Отклонение расчетных данных определения вертикального перемещения свай, вызываемого действием сил морозного пучения, от экспериментальных составляет 15 % в запас расчета.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. Сваи для промерзающих грунтов // Жилищное строительство. - М.: Ладья, 2004. - Вып. 8. - С. 10-12

2. Добрынин А.О., Юшков Б.С. Методика расчета сил морозного пучения и величины выпора фундамента в виде куста из двуконусных свай // Дороги и мосты: сб. ст. / ФГУП «РОСДОРНИИ». - М„ 2013. - № 30/2. - С. 204-223.

В других изданиях

3. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. Новая конструкция сваи для сезонно-промерзающих глинистых грунтов // XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения акад. В.П. Макеева: кр. сообщения / УрО РАН. - Екатеринбург, 2004. - С. 345-352.

4. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. Виды свай для сезоннопромерзающих грунтов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: материалы науч.-техн. конф. - Пермь, 2004. - С. 20-26.

5. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. Конструкции свай для сезоннопромерзающих глинистых грунтов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды: материалы науч.-техн. конф. - Пермь, 2004. - С. 3-9.

6. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. Новая конструкция сваи для водонасыщенных глинистых грунтов // Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов: тр. междунар. геотехн. конф. - Алматы, 2004. - С. 729-732.

7. Добрынин А.О., Юшков Б.С. Применение конических пустотелых свай в дорожном строительстве // Молодежная наука Прикамья-2004: тр. обл. науч.-практ. конф. - Пермь, 2004. - С. 165-169.

8. Добрынин А.О., Юшков Б.С., Репецкий Д.С. О сваях для сезоннопромерзающих глинистых грунтов // Веста. Урал, межрегион, отд. Рос. акад. транспорта. - Вып. 5. - Тюмень, 2005. - С. 49-52.

9. Добрынин А.О., Юшков Б.С. Определение величины выпора куста из двуконусных свай силами морозного пучения в полевых условиях // Приволжский научный вестник: науч.-практ. журн. - Вып. 12(16). - Ижевск, 2012. - С. 23-37.

Патенты

10. Пат. 42234 Российская федерация, МПК 7E02D 5/30. Свая / Юшков Б.С., Добрынин А.О., Репецкий Д.С. -№ 2004121946/22; заявл. 20.07.04; опуб. 27.11.04, Бюл. № 33. - 4 с.

Подписано в печать 13.11.2013.Формат 69x90/16. Усл. печ. л. 1,25.Тираж 100 экз. Заказ № 244/2013

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614000, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201453143

ДОБРЫНИН Антон Олегович

ФУНДАМЕНТЫ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, профессор Б.С. Юшков

Пермь-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ..........................11

1.1. Понятие морозного пучения...............................................................11

1.2. Мероприятия, направленные на борьбу

с морозным пучением.........................................................................20

1.3. Применение свай различных конструкций и дополнительного оборудования к ним как конструктивный способ борьбы

с морозным пучением.........................................................................26

1.4. Взаимодействие свай с пучинистым грунтом...................................31

1.5. Проектирование и устройство свайных фундаментов

на пучинистых грунтах.......................................................................35

1.6. Современные данные расчета кустов свайных фундаментов

на пучинистых грунтах.......................................................................44

1.7. Выводы по главе 1................................................................................48

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КУСТА ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ..............................................................49

2.1. Цель и методика исследований. Приборы и оборудование.............49

2.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки..............................................................................................54

2.3. Исследование взаимодействия куста из двуконусных свай

в пучинистом грунте...........................................................................57

2.4. Выводы по главе 2................................................................................65

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КУСТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ С ОКРУЖАЮЩИМ ВОДОНАСЫЩЕННЫМ ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ......67

3.1. Задачи исследований и методика проведения эксперимента..........67

3.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки..............................................................................................78

3.3. Результаты комплексных исследований взаимодействия натурных кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом.............................................80

3.3.1. Несущая способность и осадки кустов...................................80

3.3.2. Распределение сил трения по боковой поверхности двуконусных свай при их работе в составе кустов

в водонасыщенных глинистых грунтах..................................82

3.3.3. Распределение напряжений и деформаций в активной

зоне свайных кустов из двуконусных свай............................87

3.4. Выводы по главе 3................................................................................93

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ КУСТА ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ГРУНТА КАК ЛИНЕЙНО-ДЕФОРМИРУЕМОГО ПРОСТРАНСТВА...........................95

4.1. Постановка задачи. Основные уравнения.........................................95

4.2. Расчет сопротивления морозному пучению свайного куста.........100

4.3. Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации.....................................................................................106

4.4. Аналитический метод расчета зоны уплотнения грунтов

вокруг свайных кустов......................................................................117

4.5. Определение несущей способности двуконусных свай.................121

4.6. Примеры расчета и сравнение расчетных данных

с экспериментальными......................................................................121

4.7. Выводы по главе 4..............................................................................128

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ КУСТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ................130

5.1. Расчет технико-экономической эффективности применения кустов из двуконусных свай.............................................................130

5.2. Назначение и область применения фундаментов в виде кустов

из двуконусных свай.........................................................................135

5.3. Выводы по главе 5..............................................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................138

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основополагающей стадией, определяющей успешное строительство любого объекта в целом, является выполнение работ нулевого цикла, особенно сложную и ответственную часть которых составляют фундаменты. В условиях широкого распространения в Сибирско-Уральском регионе сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтов устройство фундаментов транспортных сооружений, особенно на естественном основании, осложняется.

В подобных грунтовых условиях предпочтение традиционно отдается свайным фундаментам, несущими элементами которых являются призматические сваи значительной длины (6-12 м), поскольку в случае их применения несущая способность сваи по грунту превосходит силы морозного пучения, стремящиеся «вытащить» сваю. Таким образом, условие устойчивости фундамента при действии сил пучения, как правило, заведомо соблюдено, и необходимость проведения сезонных мероприятий (тепломелиорация, гидромелиорация и т.д.) отпадает. Во многих случаях такие сваи в процессе эксплуатации сооружения (тоннели, эстакады и т.д.) загружены не более чем на 15-30 % от своей максимальной несущей способности.

Применение призматических свай значительной длины обусловлено необходимостью соблюдения условия устойчивости фундамента против сил морозного пучения. Дополнительным фактором служит то, что выпуск призматических свай налажен практически на всех заводах ЖБИ, они достаточно технологичны как при изготовлении, так и при забивке. В то же время сегодня разработано несколько типов свай, обладающих повышенной сопротивляемостью силам морозного пучения. Это ромбовидные, двуконусные сваи, сваи с уширениями и т.д., позволяющие обеспечивать устойчивость фундамента при действии сил морозного пучения и обладающие достаточной несущей способностью для устройства на них инженерных транспортных сооружений. Исследованиями ученых, разработавших такие типы свай доказа-

на экономическая эффективность их применения по сравнению с призматическими сваями, экономический эффект составляет 10-30% в рублях и до 40 % в материалах для изготовления свай.

В Пермском государственном техническом университете на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» была обоснована рациональная конструкция сваи, сочетающая положительные стороны пирамидальных и трубчатых свай, - полая коническая свая.

Разработкой конструкции сваи, изучением её работы и обоснованием рациональности её конструкции занимались А.А.Бартоломей, Б.С. Юшков, А.Б.Пономарев, В.Г.Офрихтер.

Однако конструкцию конических и полых конических свай, на наш взгляд, можно усовершенствовать с точки зрения их сопротивляемости силам морозного пучения, что весьма актуально в условиях территорий Российской Федерации, характеризующихся продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов.

Конструкцией, вобравшей в себя преимущества конической сваи и обладающей повышенной сопротивляемостью действию сил морозного пучения, стала двуконусная свая, разработанная на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» ПГТУ Б.С. Юшковым, Д.С. Репецким и автором данной работы (авторское свидетельство на полезную модель РФ № 42234). Изучению работы одиночной двуконусной сваи посвящена диссертационная работа Д.С. Репецкого [68]. В транспортном строительстве одиночные сваи применяются крайне редко, поэтому для широкого внедрения двуконусных свай в производство необходимо исследовать особенности взаимодействия фундаментов из таких свай с окружающим грунтом, разработать методы расчета несущей способности и осадок.

Объект исследования: фундаменты из двуконусных свай, внедренные в сезоннопромерзающие водонасыщенные глинистые грунты, относящиеся по действующей классификации к пучинистым, для устройства несущих элементов транспортных сооружений.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние во-донасыщенного пучинистого грунтового основания при взаимодействии его с фундаментами из двуконусных свай.

Цель диссертационной работы: разработка и расчетное обоснование эффективного способа устройства фундаментов из двуконусных свай для транспортных сооружений на водонасыщенных пучинистых глинистых грунтах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы основные задачи исследований:

- изучить закономерности изменения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, погруженных в водонасыщенный пучинистый грунт в составе фундамента в виде куста от действия сил морозного пучения;

- выявить особенности взаимодействия фундаментов из двуконусных свай и одиночной сваи по результатам статических испытаний и определения несущей способности, сил трения по боковой поверхности свай, изучения распределения напряжений и деформаций в активной зоне;

- разработать методику расчета величины вертикального перемещения фундамента из двуконусных свай силами морозного пучения.

Научная новизна работы заключается в том, что на основании результатов экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности совместной работы фундаментов из двуконусных свай с водонасыщен-ным глинистым грунтом, которые позволили разработать аналитический метод расчета вертикальных перемещений фундаментов от действия сил морозного пучения.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается:

- использованием в работе стандартных методов исследования, основанных на применении современных представлений о сопротивлении материалов, механике деформирования грунтов, теории упругости;

- выполнением комплексных полевых экспериментальных исследований с помощью апробированных контрольно-измерительных комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных средств измерения;

- сравнением полученных в работе экспериментальных результатов с аналитическими данными и данными других исследований;

Практическое значение работы. Диссертация является продолжением экспериментально-теоретических исследований свайных фундаментов, ведущихся в течение ряда десятилетий на кафедре «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета (ранее - кафедра «Основания, фундаменты и мосты» ПЛИ, ПГТУ). Практическая ценность заключается в доказательстве экономической эффективности использования фундаментов в виде кустов из двуконус-ных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах на основе разработанной методики расчета, позволившей приблизить несущую способность сваи по материалу к несущей способности грунта.

Результаты исследования реализованы:

- в проекте конструкций фундаментов при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия 000«Урал-Тайзер», г. Пермь. Экономический эффект составил 314 тыс. руб. в ценах 2011 г. (Акт внедрения научно-исследовательской работы ГОУВПО ПНИПУ-ООО «Урал-Тайзер» от 29.03.2013 г.);

- в разработке «Рекомендаций по применению фундаментов из двуко-нусных свай на пучинистых грунтах транспортных сооружений». Документ утвержден на уровне Министерства транспорта Пермского края;

- в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты транспортных сооружений» для студентов, обучающихся по учебным планам специальностей САД и МТТ.

Апробация работы. Результаты исследований, описанных в диссертационной работе, были освещены на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья-2004»; на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (г. Пермь, 2005 г.); на Всероссийской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (г. Пермь, 2005-2012 гг.);

Личный вклад автора состоит:

- в участии в разработке конструкции двуконусной сваи для сезонно-промерзающих грунтов (патент РФ на полезную модель № 42234 «Свая»);

- в получении результатов комплексных натурных экспериментальных исследований, их анализе и обобщении;

- в обосновании расчетной схемы и разработке методики расчета вертикального перемещения фундаментов в виде кустов из двуконусных свай, вызванного силами морозного пучения.

На защиту выносятся:

- закономерности изменения вертикальных перемещений кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах от действия сил морозного пучения, выявленные на основании выполненных комплексных экспериментально-теоретических исследований;

- расчетная схема и инженерный метод определения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, работающих в составе кустов, от действия сил морозного пучения;

- выявленные закономерности несущей способности фундаментов из двуконусных свай, сил трения по боковой поверхности свай, распределения

напряжений и деформаций в активной зоне основания на основе результатов комплексных экспериментальных исследований;

- основные выводы и рекомендации по применению фундаментов в виде кустов из двуконусных свай;

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, и две статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК, получен патент РФ № 42234 «Свая» (полезная модель).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов основного содержания, заключения, списка литературы из 114 наименований, из них 7 на иностранных языках. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 10 таблиц.

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета под руководством кандидата технических наук, профессора Б.С. Юшкова.

ГЛАВА 1. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Понятие морозного пучения

Под морозным пучением понимается местное поднятие поверхности грунта, вызываемое увеличением его объема при промерзании. При промерзании пучение грунта обусловлено раздвиганием скелета грунта кристаллами льда, растущими за счет воды, находящейся в промерзающем слое, и главным образом за счет воды, подтягиваемой в него из нижележащих слоев за счет разности температур.

Морозное пучение грунтов происходит неравномерно, это обусловлено неоднородностью грунтов (как по виду грунта, так по зерновому составу и влажности), слагающих промерзающий массив. В зависимости от этого и глубина промерзания по площади замерзающего массива грунта может варьироваться в достаточно широких пределах, вызывая неравномерные поднятия поверхности грунта.

При оттаивании происходят неравномерные осадки и, кроме того, размягчение переувлажненного грунта и потеря им несущей способности.

Вследствие этого опасного явления происходят деформации фундаментов зданий и сооружений, земляного полотна автомобильных и железных дорог, эстакад и путепроводов, малых мостов и водопропускных труб, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик функционирующих объектов, а в некотооых случаях делает небезопасной или невозможной их

А У ' '

дальнейшую эксплуатацию. Исправление дефектов конструкций, подверженных морозному пучению, является весьма затратным и технически сложным мероприятием.

Исследованиями в области морозного пучения грунтов занимались многие ученые. Само определение «пучение грунта» звучало в интерпретации первых исследователей по-разному:

Русский инженер П.Н. Любимов дал такое определение морозному пучению грунтов - «пучины на железных дорогах»: «Пучиною называется... местное поднятие полотна, зависящее от присутствия под ним в пределах промерзания насыщенных водою грунтов и вызывающее зимой и в начале весны такого рода неправильности в положении верхнего строения железнодорожного пути, которое нарушает спокойствие и безопасность движения поездов» [50].

Я.И. Быков определяет морозное пучение грунтов следующим образом: «Будем впредь называть пучением всякое вертикальное перемещение вверх как самого грунта, так и заключенных в него предметов, происходящее вследствие замерзания и расширения грунта» [12]. Автор говорит о вертикальном перемещен