автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование работы комбинированных свайных фундаментов на горизонтальную нагрузку в глинистых грунтах

Введение.

Актуальность работы.

Цель работы и задачи исследований.

Методика исследований.

Научная новизна и практическая ценность работы.

Защищаемые положения.

Апробация материалов исследования.

Публикации.

1. Обзор и анализ конструктивных решений КСФ и методов их расчета на горизонтальную нагрузку.

1.1 КСФ колонн каркасных зданий и сооружений как альтернатива кустовым свайным фундаментам.И

1.1.1 Краткий обзор развития конструкций свайных фундаментов каркасных зданий и сооружений.

1.1.2 Конструктивные решения.

1.1.3 Технологические схемы устройства.

1.1.4 Область применения и особенности работы.

12 Методы расчёта свай на горизонтальную нагрузку.

1.2.1 Одиночные сваи (призматические).

1.2.2 Сваи переменного сечения (пирамидальные).

1.2.3 Комбинированные свайные фундаменты.

13 Обоснование постановки исследования.

1.4 Выводы.

2 Оптимизация конструкции КСФ, работающих на горизонтальную нагрузку, по результатам численных исследований.

2.1 Теоретические предпосылки численных исследований.

2.2 Численные исследования горизонтально нагруженных КСФ.

2.2.1 Методика исследований.

2.2.2 Результаты исследований.

2.3 Предложения по оптимизации конструкции КСФ и расчетной схеме.'.

2.4 Выводы.

3 Анализ экспериментальных исследований работы горизонтально

Л Л I нагруженных КСФ.

3.1 Методика экспериментов.

3.2 Исследование НДС системы "фундамент-основание" на горизонтальную нагрузку.

3.3 Предложения по выбору модели и совершенствованию расчётной схемы.

3. 4 Выводы.

4 Расчёт КСФ на горизонтальную нагрузку.

4.1 Обоснование расчётной схемы горизонтально нагруженных

4.2 Вывод расчётных формул.

4.3 Определение расчётных параметров грунта.

4.4 Учёт нелинейности.

4.5 Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчётов.

4.6 Выводы.

Актуальность работы. Комбинированные безростверковые свайные фундаменты являются эффективным типом фундаментов колонн каркасных зданий и сооружений, воспринимающие значительные горизонтальные нагрузки, которые позволяют достичь высоких технико-экономических показателей в условиях глинистых грунтов, что убедительно показано исследованиями БащНИИстроя и практическим опытом их применения. Рациональный объем таких фундаментов для российских объектов оценивается в 280 тыс. мЛ что составляет примерно 50 % потребности фундирования каркасных зданий, по мнению А.Л. Гетмана [Готман, 1996].

Комбинированные забивные фундаменты являются достаточно сложными конструкциями, поскольку сопрягаются последовательно из нескольких элементов, что приводит к суммированию несущей способности по грунту всех комбинируемых элементов, значительно превышающей поэлементную погружающую способность копра. Конфигурация, размеры и параметры сопрягаемых элементов сильно влияют на несущую способность, в т.ч. горизонтальную, комбинированного свайного фундамента. Однако рациональность конфигурации и геометрических размеров отдельных сопрягаемых элементов, их "вклад" в несущую способность комбинированного свайного фундамента изучена не достаточно, что не позволяет оптимизировать параметры фундамента и повысить его технико-экономические показатели. В связи с этим представляется актуальным и своевременным проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований, включая численные, и выявление значимости и роли отдельных элементов комбтнированного свайного фундамента (КСФ) и его основания, а также сопоставление полученных закономерностей с экспериментальными данными и совершенствование расчетной схемы и методики расчета фундаментов в глинистых грунтах. Это послужит базой для более экономичных технических решений фундаментов каркасных зданий с большими нагрузками - до 3000 кН на вдавливание и 400.500 кНм на изгиб.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в исследовании особенностей работы горизонтально нагруженных КСФ, оптимизации

Введениеб их конструктивных решений и совершенствовании метода расчета на горизонтальную нагрузку.

Для достижения поставленной цели решались следуюндие задачи:

1. Обзор и анализ особенностей работы КСФ на горизонтальную нагрузку как многоэлементной системы в глинистых грунтах.

2. Численные исследования работы горизонтально нагруженных КСФ для оценки значимости их основных элементов и деформационных характеристик основания, а также для выявления оптимальных параметров КСФ.

3. Анализ экспериментальных исследований закономерностей деформирования одиннадцати горизонтально нагруженных КСФ с учетом взаимодействия конструктивных элементов фундамента между собой и с грунтом.

4. Разработка предложений по оптимальным конструктивным решениям КСФ.

5. Разработка усовершенствованной методики расчета КСФ на горизонтальную нагрузку, в том числе с учетом нелинейности деформирования системы «фундамент - основание».

Настоящая работа выполнена в УГНТУ и в БашНИИстрое в соответствии с тематическими планами ЬШР, в т.ч. по хоздоговорам. Полевые эксперименты проведены в Уфимском НИИпромстрое (ныне БашНИИстрой) под руководством А.Л. Гетмана на экспериментальном полигоне института и на строительных площадках г. Уфы.

Методика исследований заключалась в научном анализе теоретических положений, экспериментальных данных и практического опыта применения КСФ в инженерно-геологических условиях Башкириии; в установлении численным исследованием оптимальных параметров (факторов) фундаментов, позволяющих получить наибольшую несущую способность при минимальных затратах ресурсов; в сопоставлении результатов численных исследований автора с результатами экспериментальных данных, полученных испытаниями натурных КСФ, а также в совершенствовании расчетной схемы и уточненного инженерного метода расчета КСФ на горизонтальную нагрузку. При этом проанализированы отечественные и зарубежные публикации, изучена базовая профессиональная литература (учебники, справочники, СНиПы, ТСН, ГОСТы, ТУ, периодика, труды международных, российских и региональных конгрессов, конференций и совещаний), отчеты по НИР БашНИИстроя и инженерно-геологическим изысканиям ЗапУралТИСИЗа, использованы теоретические положения планирования экспериментов и регрессионного многофакторного анализа. Применен персональный компьютер типа "Pentium ММХ-200" для численных исследований и интерпретации результатов всей работы с помощью программного обеспечения: "Microsoft Word" (текстовый редактор, выполнение рисунков), "Paint" (выполнение рисунков), "Microsoft Excel" (вычисления, построение гис-тограмм), "Sigma Plot" (построение графиков и гистограмм), "Арком-гор" (численные эксперименты).

Научная новизна и практическая ценность работы характеризуются следующими результатами:

• выявлены значимость и особенности пяти основных факторов КСФ (коэффициенты постели грунтового основания подколенника и свай, поперечный размер и высота подколенника; угол наклона свай к вертикали), влияющих способл*ости на формирование его несущей и отражающих истинную работу по грунту на горизонтальную нагрузку;

• установлены абсолютные значения коэффициентов независимых переменных полинома, по которым определены размеры перемещений КСФ в уровне дневной поверхности грунта;

• на основании результатов натурных экспериментов выявлены закономерности работы конструктивных элементов КСФ в грунте при действии горизонтальной нагрузки и изгибающего момента;

• выявлена сходимость результатов численных исследований с экспериментальными данными, полученными в глинистых грунтах;

• оптимизированы размеры подколенника КСФ с горизонтальной несущей способностью в пределах 300 кН и изгибающим моментом до 500 кН*м;

• предложена расчетная схема горизонтально нагруженного КСФ, предусматривающая работу наклонных свай в упругой стадии и нелинейность деформирования системы "фундамент-основание";

Введение8

• усовершенствована методика расчета КСФ на горизонтальную нагрузку и изгибаюнлий момент.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие результаты исследования КСФ:

• материалы анализа конструктивных решений, технологических схем возведения, особенностей работы, грунтовых условий экспериментальных площадок, а также методов расчета свай на горизонтальную нагрузку;

• результаты численных исследований КСФ с помощью программного обеспечения, в т.ч.: значимость и особенности пяти основных факторов, влияющих на формирование горизонтальной несущей способности КСФ по грунту; абсолютные значения коэффициентов полинома для определения размеров перемещений подколонника в уровне дневной поверхности грунта; => впервые установленные параметры разброса значений горизонтальных перемещений подколонника в уровне дневной поверхности грунта; корреляция результатов с проанализированными данными экспериментально-производственных исследований; => оптимальные конструктивные решения КСФ;

• результаты экспериментальных исследований работы КСФ на горизонтальную нагрузку, анализ особенностей формирования напряженно-деформированного состояния системы «фундамент - основание»;

• усовершенствованная расчетная схема и уточненный инженерный метод расчета КСФ тяжелых каркасных зданий на горизонтальную нагрузку, в т. ч. с учетом нелинейности.

Результаты исследований положены в основу второй редакции Рекомендаций по проектированию и устройству комбинированных свайных фундаментов [Рекомендации 1985], внедряются БашНИИстроем при проектировании фундаментов каркасных зданий, а также используются в учебном процессе на Архитектурно-строительном факультете УГНТУ и факультете Природообустройства БГАУ.

Апробация материалов исследования. Результаты настоящей работы были обсуждены на Международной научно-технической конференции "Наука - образование - производство в решении экологических проблем" (Экология - 99, УГАТУ, Уфа, 1999); на I Центрально-Азиатском геотехническом симпозиуме "Геотехнические проблемы строительства, архитектуры и экологии на рубеже 21 века" (Казахстан, Астана, 2000); на научно-технических конференциях при Международных специализированных выставках "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство" (Уфа, 2000, 2001); на Международном семинаре по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (ПГТУ, Пермь, 2000); на Международной конференции «Геотехника; наука и практика», посвященная памяти Б.И. Далматова (Санкт-Петербург, 2000); на научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития АПК республики Башкортостан" (БГАУ, Уфа, 2000, 2001); на научном семинаре по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения, посвященном 100-летию В.Н. Голубкова и 50-летию кафедры оснований и фундаментов Одесской государственной архитектурно-строительной академии (Одесса, май, 2001).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах. По теме диссертации имеются публикации в трудах 1 Центрально-азиатского геотехнического симпозиума в Астане (Казахстан, 2000); в Международных межвузовских сборниках научных трудов УГНТУ «Проблемы строительного комплекса России» (1998, 2000, 2001); в трудах Международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (Пермь, 2000), Международной конференции «Геотехника: наука и практика» по современным проблемам механики грунтов и фундаментостроению, посвященная памяти Б.И. Далматова (Санкт-Петербург, 2000); семинара по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения, посвященном 100-летию В.Н. Голубкова и 50-летию кафедры оснований и фундаментов Одесской государственной архитектурно-строительной академии (Одесса, май, 2001).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации рассмотрен комплекс взаимосвязанных вопросов, относящихся к систематизации и анализу конструктивных рещений комбинированных свайных фундаментов тяжелых каркасных зданий; к выявлению численными исследованиями оптимальных параметров рассматриваемых фундаментов, работающих на горизонтальную нагрузку в глинистых грунтах; в сопоставительном анализе результатов натурных исследований с результатами численных исследований фундаментов и в совершенствовании расчётной схемы и методики расчёта на горизонтальную нагрузку. Показано, что конструктивные решения комбинированных свайных фундаментов и методика их расчёта могут быть усовершенствованы путём использования ниже перечисленных выводов.

1. Комбинированные свайные фундаменты, как альтернативные кустовым фундаментам, состоят из нескольких элементов и являются наиболее оптимальными, надёжными и экономически целесообразными фундаментами каркасных зданий с вертикальной нафузкой 2500.3000 кНи горизонтальной нафузкой до 300 кН.

2. Впервые проведены численные трёхуровневые исследования значимости факторов на формирование несущей способности КСФ на горизонтальную нафузку и момент. При этом обоснованы количественные входные трёхуровневые параметры факторов влияния на несущую способность фундаментов, согласующиеся с реальными фунтовыми условиями и конструктивными особенностями сваепофужающих копров.

3. Численными исследованиями установлена значимость факторов, формирующих сопротивление КСФ горизонтальной нагрузке, а именно:

- коэффициент постели грунта вокруг подколенника оказывает наибольщее влияние (58 %) на значение горизонтального перемещения подколонника (2.3 мм) от действия горизонтальной и моментной нагрузок в уровне поверхности грунта;

- поперечный размер подколонника существенно (до 35 % или ¡Л2 мм) влияет на общее сопротивление КСФ воздействию горизонтальной силы и момента;

- высота подколонника, угол наклона свай и коэффициент постели околосвайного грунта в диапазоне исследованных параметров незначительно изменяют величину горизонтального перемещения КСФ (суммарно всего на б./О % при перемещении 0,27.0,72мм).

4. Результаты натурных исследований экспериментальных КСФ на площадках со связными грунтами (от мягкопластичной до полутвёрдой консистенции) имеют хорошую корреляцию с результатами численных исследований, что позволило выявить особенности, параметры, характерные размеры фундаментов, грунтовые условия, а также напряженно-деформированное состояние, которое имеет следующие особенности:

- кривые «.нагрузка - перемещение» имеют ярко выраженную нелинейную форму, обусловленную нелинейной деформативностью грунта вокруг подколонника;

- высокая сопротивляемость КСФ горизонтальному воздействию предопределяется его конструктивными особенностями, т.е. массивным подколенником, включенным в работу по боковой поверхности и подощве;

- сваи работают в упругой стадии, их перемещение составляет 3.4 мм, т.е. 30.40 % от перемещения подколонника в уровне дневной поверхности, а их длина более 3. 4 м не увеличивает сопротивляемость фундамента горизонтальной нагрузке;

- изгибающий момент в сваях имеет максимальное значение в зоне заделки её в подколенник, и эпюра носит ярко выраженный затухающий характер. Кроме того, мессдозы, установленные по подощве подколенника, показали большее давление у грани, к которой прикладывалась горизонтальная нагрузка, что согласуется с поступательным движением и небольшим поворотом подколенника.

5. Численные исследования и экспериментальные данные позволяют сформулировать следующие предложения по оптимизации рассматриваемых фундаментов:

- подколенник (монолитный или сборный) следует назначать с учётом фактических грунтовых условий строительной площадки. При неблагоприятных условиях (высоком УПВ, Д > 0,5) предпочтение следует отдавать сборно-монелитнему подколеннику. В глинистых грунтах {Г = 0,0.0,5) при УПВ ниже подошвы подколенника целесообразно подколенник выполнять в монолитном варианте.

- наиболее оптимальным поперечным размером подколенника является 0,9.1,2 м, что обеспечивает сопряжение с коленной и монтаж вышележащих конструкций, а также учитывает конструктивные возможности копровой стрелы. Оптимальная высота подколенника находится в пределах 1,5.2,1 м.

- в подколеннике размещаются не белее 5 свай сеч. 30x30 см, а угол наклона свай целесообразно принимать 5°.72

- длина свай не оказывает существенного влияния на несущую способность на горизонтальную нагрузку, поскольку изгибающий момент в сваях затухает на глубине 2,5.3,0м. 6. На основе результатов численных и экспериментальных исследований усовершенствована расчётная схема и методика расчёта горизонтально нагруженного КСФ, в которой содержатся следующие положения:

- коэффициент постели определяется по материалам инженерно-геологических изысканий с использованием модуля деформации грунтов, а также по данным статического зондирования грунтов;

Глава 4 140

- учитывается сопротивление грунта под подошвой подколонника при горизонтальной нагрузке;

- расчет КСФ на горизонтальную нагрузку производится с учетом нелинейной работы грунта вокруг подколонника и нелинейности работы материала свай, при этом работа грунта вокруг свай рассматривается в линейной стадии;

- учитывается угол наклона свай к вертикали.

7. Результаты исследований положены в основу II редакции Рекомендаций по проектированию и устройству комбинированных свайных фундаментов, внедряются БашНИИстроем при проектировании фундаментов каркасных зданий. Осуществлено экспериментальное проектирование и устройство КСФ (180 мЛ) с использованием результатов настоящего исследования на одном из объектов г. Уфы с экономическим эффектом 220 тыс. руб. в текущих ценах.

Аббасов, 1977

Адлер и др., 1976

Аннотации 1978

Бабичев, Колесник, 1990

Бабичев, Миткина, 1980

Бабушкин и др., 1976

Багдасаров, 1984

Балеевских, 1974

Балеевских, 1978

Бартоломей, 1976

Бартоломей, 1990

Аббасов П.А. Исследование и внедрение плоскопрофилированных свай в сложных фунтовых условиях Юга Дальнего Востока: Автореф. дисс. . канд. техн. наук .- М., 1977.- 26 С.

Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976.- 278 С.

Аннотации докладов и сообщений на VI Евр. конференции по мех. грунтов и фунда-ментостроению//Пер. и научи, редактирование Му-люкова Э.И., М.: ЦИНИС Госстроя СССР, 1978.- 89 С. Бабичев З.В., Колесник Г.С. Резервы повышения эффективности фундаментостроения в урало-сибирских регионах//Тр.Уф. НИИпромстроя.- Уфа, 1990.- С.З- 21. Бабичев З.В., Миткина Г.В. Опыт внедрения фундаментов из полых круглых свай и свай-оболочек для каркасных промышленных зданий//Тр. Уф. НИИпромст-роя.Основания и фундаменты.-Уфа, 1980.- С.26-30. Бабушкин Г.У., Гинзбург Л.К., Шамраева Т.И. Опира-ние колонны каркасного здания на одну сваю//ОФМГ-1984.-№4.-С. 11-14.

Багдасаров Ю.А. Расчет осадок фундаментов в вытрамбованных котлованах на воздействие вертикальных и горизонтальных нагрузок/ЮФМГ- 1984.- № 4.-С. 11-14. Балеевских Б.С. Исследование и разработка конструкций опор трубопроводных сооружений из железобетонных свай колонн: Автореф. дисс. . канд. техн. наук.- Челябинск, 1974.- 24 С.

Балеевских A.C. Исследование области и оптимальных условий применения свайных фундаментов в массовом промышленном строительстве: Автореф. дисс. . канд. техн. наук.- Д., 1978,-24 с.

Бартоломей A.A. Экспериментальные и теоретические основы прогноза осадок ленточных свайных фундаментов и их практические приложения: Автореф. дисс. докт. техн. наук.-М., 1976.-47 с.

Бартоломей A.A. Тенденции развития современного свайного фундаментостроения//Тр. II Всесоюзной конф. «Совр. Проблемы свайного фундаментостроения в СССР».- Одесса, 1990.- С. 3-10.

Бартоломей A.A., Кудрявцев А.Н., Гандельсман И.А. Исследование и внедрение односвайных фундаментов с промежуточным элементом // Проблемы свайного, фун-даментостроения: Тр.Ш Междунар. конф. Часть 1.

Бартоломей, 1995 Бахолдин , 1981

Березанцев, 1946

Берман, Цесарский, 1985

Битайнис, 1979

Бобылев и др., 1987

Бродский и др., 1982

Быков, 1978

Быков, 1994

Вознесенский и др., 1989

Галеев, 1991

Пермь, 1992.-С. 13-14.

Бартоломей A.A. 0 свайном фундаментостроении // ОФМГ- 1995.-№3.-С. 3-7.

Бахолдин Б.В. Прогресивные конструкции свайных фундаментов // Тр. НИИОСП «Совершенствование, конструкций и методы устройства фундаментов и подземных сооружений в сложных грунтовых условиях. -М.: НИИОСП- вып. 75.- 1981.-С. 117-124. Березанцев В.Г. Расчет одиночных свай и свайных кустов на действие горизонтальных сил. - М.: Воениздат, 1946.- 60 С.

Берман В.И., Цесарский A.A. Об эффективности применения комбинированных свай // Технология и оборудование для специальных строит, работ: Сб. тр. ВНИИГС, Л., 1985.-С. 74-81.

Битайнис А.Г. Исследование метода комплексной оценки эффективности новых видов свай с учетом фактора времени (на примере седловых свай): Автореф. дисс. . канд. техн. наук. - М., 1979.-26 с. Бобылев Ю.Я., Гончаров Б.В., Бабичев З.В. Опыт и перспективы фундаментостроения в Башкирии // Тез. докл. IV Всесоюзн. совещ. по фундаментостроению (Уфа, сент., 1987). - М.: Стройиздат, 1987.- С.78-83. Бродский В.З., Бродский Л.И., Голикова Т.И. и др. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиноминальных моделей (справочное издание). - М.: Металлургия, 1982.- 752 С.

Быков В.И. Исследование работы свайных фундаментов с низким ростверком на горизонтальные нагрузки: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. - М., 1978.- 21 С. Быков В.И. Новое навесное оборудование для устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах и набивных свай в пробитых скважинах // ОФМГ.-1994.- № З.-С. 23-25.

Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ: Учебник; под ред. В.А. Вознесенского // Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1989.- 328 С. Галеев Р.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния комбинированных свайных фундаментов на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок: Дисс. . . . канд. техн. наук.- Астрахань, 1991.205 С.

Глотов n.M., Луга A.A., Силин К.С. и др. Свайные фундаменты. - М.: Транспорт, 1975.- 432 С.