автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование работы песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых основаниях под ленточными фундаментами

На правах рукописи

ЮМ-Р

НОВИКОВ Юрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕСЧАНЫХ АРМИРОВАННЫХ ПО КОНТУРУ СВАЙ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ ПОД ЛЕНТОЧНЫМИ ФУНДАМЕНТАМИ

Специальность

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 9 АПР 2015

005568004

Тюмень - 2015

005568004

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ») на кафедре «Строительные конструкции».

Научный руководитель:

НАБОКОВ Александр Валерьевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

САХАРОВ Игорь Игоревич

доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехника», ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

архитектурно- строительный университет»

Ведущая организация:

КРАВЧЕНКО Павел Александрович

кандидат технических наук, ассистент кафедры «Основания и фундаменты», ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 16 июня 2015 года в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 при ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2, конференц-зал.

тел. / факс 8 (3452) 43-09-09 E-mail: novikov@tgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменского государственного архитектурно-строительного университета». Текст диссертации и автореферат размещены на сайте университета www.tgasu.ru.

Автореферат разослан «15» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф.-м.н., доцент ШР ' Н.И. Куриленко

L ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ашуальносгь темы исследования.

В настоящее время малоэтажное строительство обретает все большую популярность. Возможность строительства как элитных, так и более экономичных вариантов малоэтажного жилья привлекает к себе весьма широкий круг потребителей. Устройство типовых фундаментов под малоэтажное строительство на слабых глинистых грунтах обуславливается большими экономическими затратами, которые могут составлять до 35% от общей стоимости строительства. Снизить стоимость фундаментов и повысить эффективность работы грунта помогают новые способы искусственного улучшения их свойств. Разработано и внедрено множество способов искусственного усиления грунтов основания на проектных отметках, большинство из которых имеют недостаточную эффективность, что связанно с использованием дорогостоящих материалов и оборудования. Производство всевозможных геосинтетических материалов, основанных на различных полимерных растворах, выступающих в роли армирующих элементов для искусственного улучшения основания, получило широкое применение в строительстве. Внедрение армирующих элементов позволяет значительно улучшить прочностные и деформационные характеристики грунтов и, следовательно, снизил, затраты на возведение фундаментов. В связи с этим актуальной задачей является совершенствование методик расчета и способов усиления слабых пшнисшх оснований путём их армирования современными геосинтетическими материалами.

Степень разработанности темы исследования.

Исследованию слабых глинистых грунтов в качестве основания для строительства зданий и сооружений посвящены работы Ю.М. Абслева, ВТ. Булычева, Г.В. Сорокиной, Е.В Светинского, НА. Цытовича, H.H. Маслова, Б.И. Долматова, В А. Флорина, Д.В. Коротеева, H.H. Морарескула, А.Ф. Чичкина, АА. Бартоломея, JI.M. Тимофеевой, КС. Джоунса, К.Н. Roscoe и многих других авторов.

Когда естественное основание оказывается недостаточно прочным или сильно сжимаемым и его использование, как и применение свайных фундаментов, является технически и экономически нецелесообразным, производят устройство искусственно улучшенных оснований.

Эффективность применения песчаных свай как механического метода уплотнения слабых грунтов впервые была отмечена инженером Левинсоном еще в 1812 г. Начиная с 1927 г., когда песчаные сваи были применены при строительстве зданий холодильника в Днепропетровске, использование данного метода уплотнения слабых грунтов нашло свое применение на территории СССР. Экспериментально-теоретические исследования СА.Шашкова, ГЛ. Менделеева, ВМ. Карловича, В.И. Курдюмова, Е.В. Светинского и других авторов позволили разработать основные инструкции и принципы проектирования слабых оснований, усиленных песчаными сваями.

С появлением современных геосинетических материалов, выступающих в роли армирующих элементов, применение песчаных армированных по контуру свай все чаще и чаще встречается в практике современного строительства Особое внимание методу усиления слабых грунтов песчаными армированными по контуру сваями, используемыми в качестве

дренажных устройств при строительстве автомобильных дорог, мостов, прибрежных зон, уделяется в Германии, Китае, Нидерландах, Голландии, США и России. Эффективность грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов подтверждаются работами J. Gniel, G. Heerten, A. Paul, W. Möbius, C.M. Кислова, А.Б. Пономарева и других авторов. В работах A3. Набокова и А.Н. Краева изучена и доказана эффективность применения песчаных армированных по контуру свай при усилении слабых глинистых оснований под малоэтажное строительство. Работы по оптимизации геометрических параметров песчаной армированной по кошуру сваи, исследований напряженно-деформированного состояния межсвайного пространства и песчаных армированных по кошуру свай, при их расположении под ленточными и площадными фундаментами не проводилось.

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

Цель и задачи исследования.

Цель исследования, исследование работы песчаных армированных по кошуру свай для снижения деформируемости слабых глинистых оснований под ленточными фундаментами.

Объект исследования: слабое глинистое основание, усиленное песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом.

Предмет исследования: оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

-выполнить комплексные лабораторные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями в условиях вертикального нагружения;

- выявить эффективное соотношение диаметра d к длине / песчаной армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании;

- выполнить комплексные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом в натурных условиях;

- выполнить сопоставление данных, полученных при проведении натурных исследований, с данными результатов численного моделирования в программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models;

- разработать методику расчета слабых глинистых оснований, усиленных песчаными армированными по кошуру сваями;

- оценить экономический эффект предложенного метода усиления слабых глинистых оснований песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом.

Научная новизна исследования:

-на основании комплексных экспериментальных исследований в лабораторных условиях выявлено эффективное соотношение диаметра d к длине / песчаной армированной по кошуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании;

- выявлены особенности и основные закономерности напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру

сваями, под ленточными фундаментами в натурных условиях;

- разработана методика расчёта слабых глинистых оснований, усиленных песчаными армированными по кошуру сваями.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

- в экономической эффективности предложенного метода усиления слабых глинистых оснований песчаными армированными по кошуру сваями под ленточными фундаментами;

- в возможности оценки напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями;

- в разработке методики расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями.

Методология и методы исследований:

-анализ отечественного и зарубежного опыта существующих методов устройства фундаментов на слабых тинистых грунтах;

- проведение экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями, на маломасштабных моделях;

- анализ данных лабораторных исследований по определению эффективного соотношения диаметра d к длине / песчаной армированной по кошуру сваи;

- проведение экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом в натурных условиях;

- анализ результатов натурных исследований напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом, подтверждение выбора эффективного соотношения д иаметра d к длине /;

-сопоставление полученных результатов натурных исследований с результатами разработанной методики расчета и численного моделирования в программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты комплексных экспериментальных лабораторных исследований по определению эффективного соотношение диаметра d к длине 1 песчаной армированной по кошуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании;

- закономерности напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями под ленточным фундаментом в натурных условиях;

- методика расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по кошуру сваями.

Степень достоверности и апробации результатов.

Достоверность результатов обеспечивается:

-выполнением экспериментальных исследований с помощью отгарированных и апробированных контрольно-измерительных приборов и первичных преобразователей;

- использованием в работе сертифицированных программных комплексов,

реализующих метод конечных элементов (МКЭ);

-сопоставлением результатов численных и аналитических решений с данными натурных исследований;

- сравнением полученных в работе результатов с данными других исследований. Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на IX Московской международной выставке в салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009), на IX и X научной конференции молодых ученых и соискателей ТюмГАСУ (г.Тюмень, 2010, 2011), на 12-ом Всероссийском форуме «Образовательная среда - 2010» (г. Москва, ВВЦ, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г.Тюмень, 2010, 2011, 2012), на XX Польско-Российско-Словацком семинаре «Теоретические основы строительства» (¿Шпа, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Геотехника: Теория и практика» (СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург, 2013), на заседании научно-технического совета ООО «ПИ Геореконструкция» (г. Санкт-Петербург, 2013). Основные результаты работы изложены в 7 научных статьях, 4 из которых в изданиях перечня ВАК По результатам работы получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пят глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 118 наименований, из них иностранных 13.

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, пункту 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»; пункту 11 «Создание новых инженерных методов преобразования грунтов для повышения несущей способности оснований зданий и сооружений (уплотнением, закреплением, армированием, замораживанием и др.)».

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ На основании комплексных экспериментальных исследований в лабораторных условиях выявлено эффективное соотношение диаметра <1 к длине / песчаной армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании.

Для определения эффективного соотношения диаметра с/ к длине / песчаной армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании, проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях на маломасштабных моделях. При моделировании применяли метод расширенного подобия, в котором выдерживали геометрические, механические и силовые аналоги с реальным объектом. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях позволили отразить

Рисунок 1. Общий вид экспериментальной установки.

качественную картину работы слабого глинистого основания, с различными вариантами усилений. Эксперименты проводили на маломасштабных грунтовых моделях в специально сконструированной стендовой установке, выполненной из металла с размерами 1400x1400x2000 мм (рис.1).

В качестве грунта основания в моделях использовался суглинок текучепластичной консистенции. Для создания однородного основания грунт высушивали до полной потери влажности, измельчали и с постепенным добавлением необходимого количества воды

к постоянному объему грунта в перегрузочном лотке готовили однородную грунтовую пасту. Грунтовую пасту послойно укладывали в лоток. На каждый слой, высотой /г=200 мм прикладывали нагрузку, равную весу вышележащих слоев для обеспечения однородной структуры грунта. Высота основания была принята №=2000 мм. Для поддержки влажности испытуемого грунта над поверхностью основания наливали слой воды высотой 3 см. Уровень воды над дневной поверхностью грунта сохраняли до конца эксперимента. По окончании каждого эксперимента грунт из лотка извлекали, вновь высушивали, измельчали и для проведения следующего эксперимента повторно укладывали в лоток. Такая технология позволяет провести все модельные эксперименты в грунте с одинаковыми физико-механическими характеристиками и в одинаковых условиях, что обеспечивает получение достоверных результатов.

Экспериментальные исследования в лабораторных условиях были разделены на несколько этапов, в которых рассматривались следующие варианты основания: естественное основание (без усиления); основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей, диаметром ¿=200 мм, длиной /, равной 400 мм, 600 мм, 800 мм, 1000 мм и 1200 мм (рис.2).

Нагрузку на грунтовое основание передавали при помощи редуктора через круглый металлический штамп, диаметром ¿/=200 мм. Ступени нагружения составляли 1/10 от предполагаемой предельной нагрузки на основание и контролировались при помощи оггарированного динамометра ДОСМ -5. Каждую ступень выдерживали до условной стабилизации деформации грунта. За критерий условной стабилизации деформации принимали скорость осадки штампа, не превышающую 0,1 мм за последние 2 часа наблюдений. Величина предельной осадки штампа во всех лабораторных экспериментах принималась равной 0,12 м.

По периметру песчаная свая армировалась геосинтетическим материалом (геосеткой), изготовленным из стекловолокна, пропитанного комплексным полимерным составом, а также нетканым материалом «Дорнит». Технические характеристики геосинтетического материала представлены в таблице 1.

Рисунок 2. Варианты основания: а) естественное основание (без усиления);

б) основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей ¡¿=200 мм, /=400 мм;

в) основание, усиленное песчаной армированной по кошуру сваей ¿=200 мм, /=600 мм;

г) основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей ¿=200 мм, /=800 мм;

д) основание, усиленное песчаной армированной по кошуру сваей (1=200 мм, /=1000 мм;

е) основание, усиленное песчаной армированной по кошуру сваей ¿=200 мм, /=1200 мм.

Таблица 1 — Технические характеристики геосинтетического материала

Марка геосегки Прочность на растяжение, кН/м Размер ячеики, мм Ширина рулона, см Длина рулона, м Относительное удлинение до разрыва, %

вдоль (основа) поперек (уток)

вдоль поперек

ССП 30/30-2,5(150) 30 30 2,5 150 100 5

По результатам данных, полученных в лабораторных условиях, были построены графики «осадка-давление» (рис.3) для всех рассматриваемых вариантов основания.

О 50 100 150 Р,кПа

Б.м

Рисунок 3. Экспериментальные графики «осадка-давление»: 1 — естественное основание (без усиления);

2 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей <£=200 мм, /=400 мм;

3 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей ¿/=200 мм, /=600 мм;

4 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей £/=200 мм, /=800 мм;

5 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей </=200 мм, /=1000 мм;

6 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей </=200 мм, /=1200 мм.

На основании графиков можно сделать следующие выводы:

- устройство песчаной армированной по контуру сваи в слабом глинистом основании приводит к увеличению предельной нагрузки на штамп от 1,8 до 2,8 раза;

- при значении предельно допустимой осадки штампа, равной 12 см, давление на естественное основание (без усиления) составило Р=60 кПа; на основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей с отношением <#7=1/2 — Р=\ 12 кПа; на основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей с отношением <#7=1/3 -Р=130 кПа; на основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей с отношением <¿7=1/4 - Р=156 кПа; на основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей отношением <#7=1/5 - Р=\6Ъ кПа; на основание, усиленное песчаной армированной по контуру сваей с отношением <1/1= 1/6-Р=168 кПа.

Разница численных значений давлений, приложенных к штампу на основаниях, усиленных песчаными армированными по контуру сваями с различным соотношением диаметра </ к длине /, составила: <#7=1/2 и <#/=1/3 - 13,8%; <#7=1/3 и <#7=1/4 -16,6%; <#7=1/4 и <#7=1/5 - 4,3%; <#7=1/5 и <#/=1/6 - 2,9%.

Из процентного соотношения разницы численных значений давлений, приложенных к штампу, видно, что увеличение длины песчаной армированной по контуру сваи при соотношении <¿77=1/4, 1/5 и 1/6 ведет к незначительному снижению

деформируемости основания, но к существенному расходу материала, увеличению стоимости изготовления сваи и большим трудозатратам. Анализ вышеприведенных данных позволил сделать вывод, что эффективное соотношение диаметра (1 к длине / составляет 1/4.

Дальнейшие лабораторные исследования были направлены на изучение напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру сваей диаметром «/=200 мм и длиной /=800 мм. Вертикальные напряжения и деформации в грунтовом массиве замерялись с использованием мессдоз и глубинных винтовых марок. В качестве регистрирующей тензометрической аппаратуры использовался апробированный в многочисленных научных работах и отгарированный автоматический электронный измеритель деформаций ИТЦ-01. По результатам проведенных лабораторных исследований были построены графики развития вертикальных напряжений и вертикальных перемещений в массиве грунта, усиленного песчаной армированной по контуру сваей с соотношением с///=1/4(рис.4).

Анализируя полученные графики можно сделать следующие выводы: - на последней ступени нагружения концентрация общих вертикальных напряжений в основании, усиленном песчаной армированной по контуру сваей, отмечена под штампом и под пятой сваи, что свидетельствует об увеличении жесткости песчаного столба;

-деформации тела песчаной армированной сваи приводят к увеличению её поперечных сечений, в результате чего происходит дополнительный отпор грунта, способствующий увеличению предельной нагрузки.

Рисунок 4. Результаты лабораторных исследований основания, усиленного песчаной

армированной по контуру сваей с соотношением £///=1/4: а) изобары развития общих вертикальных напряжений в грунтовом массиве [кг/см2]; б) изолинии вертикальных перемещений активной зоны грунтового массива [мм].

Выявлены особенности и основные закономерности напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями, под ленточным фундаментом в натурных условиях.

Лабораторные исследования на маломасштабных моделях позволили выявить качественную картину работы слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру сваей, выявить эффективность использования песчаной армированной по контуру сваи в вариантном сопоставлении, определить эффективное соотношение диаметра с1 к длине / песчаной армированной по контуру сваи. Результаты лабораторных исследований легли в основу постановки натурного эксперимента для изучения напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом. Проведение натурного эксперимента позволило подтвердить результаты модельных экспериментов и сделать количественную оценку напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.

Эксперименты проводились в полевых условиях на специально подготовленной площадке в период с июня по ноябрь 2011 года в г. Тюмени (рис.5). Физико-механические свойства грунтов экспериментальной площадки приведены в таблице 2.

В качестве тела песчаной армированной по контуру сваи использовался песок с физико-механическими характеристиками, представленными в таблице 3. Технические характеристики геосинтетического материала, используемого в качестве армирующего элемента, представлены в таблице 1.

Таблица 2 - Физико-механические свойства грунтов экспериментальной площадки

Вид грунта Глубина, м XV, % 1р- % д.ед. У . кН/м3 е, д.ед. д.ед. ч> > град. с, кПа Е, МПа

Суглинок 0-1,1 22 13 0,24 18,1 0,78 0,7 17 17 3,83

Суглинок 1,1-4,5 28 8 0,58 19,2 0,68 0,88 16 12 4,89

Суглинок 4,5-7,3 20 8 0,46 20,0 0,58 0,89 23 7 6,15

Суглинок 7,3-17 35 13 0,56 18,7 0,89 0,98 21 9 3,64

Рисунок 5. Общий вид экспериментальной площадки натурных исследований.

Таблица 3 - Физико-механические характеристики песка

Удельный вес грунта, кН/м3 Удельный вес сухого грунта, кН/м3 Удельный вес частиц грунта, кН/м3 Коэффициент пористости, д.ед. Угол внутреннего трения, град. Удельное сцепление, кПа Модуль деформации, МПа

19,1 17,1 26,0 0,56 30 1 27

Измерение нормальных напряжений в грунте, теле песчаных армированных по контуру свай и межсвайном пространстве на различных точках удаления от уровня дневной поверхности производились с помощью мессдоз мембранного типа. Для измерения деформаций активной зоны грунта основания внедрялись глубинные винтовые марки. Вертикальные перемещения марок, установленных на реперную систему, фиксировались прогибомерами с точностью 0,01 мм. Аналогично лабораторным исследованиям в качестве регистрирующей тензометрической аппаратуры использовали автоматический электронный измеритель деформаций ИТЦ-01.

В настоящей работе был выбран ленточный тип фундамента. Ширина подошвы ленточного фундамента составляла 800 мм, длина 5600 мм, высота 600 мм. Диаметр песчаной армированной по контуру сваи был выбран на основании экспериментальных исследований, отраженных в работах Е.В. Светинского и А.Н. Краева, и составил 800 мм. Длина песчаных армированных по контуру сваи принята с соотношением диаметра ¿=800 мм к длине / 1/4 и 1/5 (рис.6). Расстояние между осями свай было принято 3(1 и составляло 2400 мм. Общее число песчаных армированных по контуру свай, устроенных на указанной площадке, составляло 6 шт. В грунтовый массив, усиленный песчаными армированными по контуру сваями было внедрено 42 мессдозы и 57 глубинных винтовых марок.

Рисунок 6. Геометрические размеры ленточного фундамента и песчаных армированных

по контуру свай.

Статическую нагрузка на основание прикладывали ступенчато, блоками ФБС24-6-6, через четыре стальных двутавра 40Ш1, которые укладывались на ленточный фундамент. Среднее давление каждой ступени на основание составило 44,6 кПа. Общее количество ступеней - пять.

По результатам экспериментальных данных, полученных при проведении натурных исследований, выявлены особенности и основные закономерности напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.

Максимальные значения вертикальных напряжений на первой ступени приложения нагрузки {Pcpi—44,6 кПа) возникают под подошвой ленточного фундамента. Распределение напряжений в теле песчаных армированных по контуру свай и межсвайном пространстве сопоставимы с обычным распределением напряжений в грунте. При дальнейшем увеличении нагрузки (до Рср4=178,4 кПа) отмечается резкое увеличение напряжений в теле песчаных армированных по контуру свай. Уплотнение тела песчаной армированной по контуру сваи приводит к перераспределению вертикальных давлений и увеличению напряжений под её пятой. Напряжения, возникающие в межсвайном пространстве грунтового основания, существенно меньше напряжений в теле песчаных армированных по контуру свай. С ростом нагрузки песчаная армированная по контуру свая перераспределяет внешнее давление за счёт сил трения, возникающих по её цилиндрической поверхности и сопротивления грунта под пятой сваи.

В момент уплотнения тела сваи происходит развитие поперечных деформаций в верхней части сваи. Возникающие силы трения на границе «армирующий элемент -грунт» увеличиваются одновременно с перемещением сваи и дополнительно способствуют перемещению грунта в межсвайном пространстве. Полная осадка песчаной армированной по контуру сваи состоит из деформаций тела сваи и области грунта под пятой сваи.

Для сопоставления экспериментальных данных, полученных при проведении натурных исследований, с теоретическим прогнозом напряжённо-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом, было выполнено численное моделирование в программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models. В качестве модели фундамента, реализованного в численных расчетах, была принята точная геометрическая копия ленточного фундамента, выполненного в натурных условиях. В качестве слоистого грунтового основания при расчете по упруго пластической модели Мора - Кулона были приняты грунты с физико-механическими характеристиками аналогичными площадке натурных исследований, (табл.2). Расчет выполнялся до нагрузки Рср}=223 кПа, соответствующей нагрузке двухэтажного жилого здания. Ступени нагрузки подбирались аналогично нагрузкам при проведении экспериментов в натурных условиях.

Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования в программных комплексах приведены на рисунках 7, 8, 9.

Рисунок 7. Изолинии вертикальных перемещений активной зоны слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями на последней ступени

нагружения PcpS=223 кПа: a) Plaxis 3D и экспериментальные данные [см]; б) FEM models и экспериментальные данные [см].

Рисунок 8. Изобары общих вертикальных напряжений активной зоны слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями на последней ступени

нагружения Рср5=223 кПа: a) Plaxis 3D и экспериментальные данные [кг/см2]; б) FEM models и экспериментальные данные [кг/см2].

Анализ полученных графиков численного моделирования и результатов натурных исследований позволил сделать следующие выводы:

- картина развития вертикальных перемещений в активной зоне слабого глинистого основания, построенная в программных комплексах PLAXIS 3D, FEM models и по результатам натурных исследований, имеет схожее «седловидное» очертание в межсвайном пространстве. Расхождение результатов численных значений вертикальных перемещений активной зоны слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом, в натурных условиях и результатов численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D, составляют от 21 до 38%, с результатами численного моделирования в программном комплексе FEM models - до 10%;

- расхождения результатов численного моделирования напряженного и деформированного состояния для программного комплекса FEM models со значениями данных, полученных по итогам проведения натурных исследований, составляют 8-24%, что позволяет сделать вывод о возможности использования данного программного комплекса при прогнозе напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.

О 50 100 150 200 250 Р,кПа

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06 S, м

Рисунок 9. График «осадка-давление»:

1 - экспериментальные данные натурных исследований (d/h\/4);

2 - экспериментальные данные натурных исследований (d/t=\IS)\

3 - результаты численного моделирования в программном комплексе FEM models (d/l= 1/4);

4 - результаты численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D (d/l= 1/4).

Анализ полученных графиков численного моделирования в программных комплексах PLAXIS 3D, FEM models и результатов натурного исследования напряженно-деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными сваям по контуру под ленточным фундаментом, позволил сделать следующие выводы:

- осадка ленточного фундамента на основании, усиленном песчаными армированными по контуру сваями с соотношением £¿^=1/4 при нагрузке Pq>5=223 кПа, соответствующей нагрузке от малоэтажного жилого здания, составила S=0,0364 м;

- осадка ленточного фундамента на основании, усиленном песчаными армированными по контуру сваями с соотношением d/l= 1/5 при нагрузке Рср$=223кПа, соответствующей нагрузке от малоэтажного жилого здания, составила S=0,0358 м;

- незначительное расхождение численных значений осадки ленточного фундамента на основании, усиленном песчаными армированными по контуру сваями с соотношением диаметра d к длине / 1/4 и 1/5 (1,6%), подтверждает гипотезу лабораторных исследований о нецелесообразном увеличении длины песчаной армированной по контуру сваи и выборе

o.oösSj* ¿¡2*0,0 D55

0,0093 oW4 4^0.0. ¡5

0,0181 ^-e^OT4« **S5^0,024S \\ \jk08i3

0,0284 \ 0,0301 0.0358 \^0,0364

0,0433 0,0398

0,0578 \

эффективного соотношения диаметра d к дайне / равного 1/4;

- расхождение результатов значений осадок ленточного фундамента, полученных в натурных условиях, с результатами численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D, составляет - 37%, с результатами численного моделирования в программном комплексе FEM models - 9%.

Разработана методика расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями.

В работе предлагается методика расчета, основанная на решении плоской осесимметричной задачи Ламе, позволяющая рассчитать осадку песчаной армированной по контуру сваи, напряжения и радиальные перемещения армирующего элемента песчаного цилиндра. Расчетная схема приведена на рисунке 10.

ТТН.1Ы

ж

пт

m

2

Рисунок 10. Расчетная схема: д - внешняя нагрузка; Я - радиус песчаной армированной по контуру сваи;

Дг - высота элементарного слоя конечной длины; Ж- осадка песчаной армированной по контуру сваи; Д - перемещение пяты песчаной армированной по контуру сваи; / - длина песчаной армированной по контру сваи; - силы трения по боковой поверхности;

К,т, - реакция отпора грунта; др - реакция армирующего элемента.

Осадка песчаной армированной по контуру сваи от действия внешней нагрузки складывается из двух составляющих: осадка тела песчаной армированной по контуру сваи м, представленная в виде суммы осадок элементарных слоев конечной длины и

перемещение пяты сваи А (Д - определяется методом послойного суммирования).

Ж = (1)

Деление песчаной армированной по контуру сваи по всей длине на элементарные слои

конечной длины Аг реализуется из предположений, что горизонтальные напряжения от действия заполнителя на боковую поверхность, по всей высоте боковой поверхности армирующего элемента в каждом элементарном слое, можно было принять равномерно распределенными (рис. 11).

Рисунок 11. Элементарный слой песчаной армированной по контуру сваи: д - внешняя нагрузка; Я - радиус песчаной армированной по контуру сваи; Аг- высота элементарного слоя конечной длины; (¡гр - реакция армирующего элемента; Ди>- осадка армированного слоя; ир - рад иальная деформация заполнителя; и0 - радиальная деформация оболочки; ^ - силы трения по боковой поверхности.

Осадку элементарного слоя песчаной армированной по контуру сваи определим как сумму вертикального перемещения тела сваи (заполнителя) под действием внешней нагрузки Ау/ф вертикального перемещения от действия (реакции) армирующего элемента Ди^- и вертикального перемещения от действия (реакции) отпора грунта по боковой поверхности А и^-:

¿4 = + Аю^ + Ди^,., (2)

где Аи^ - вертикальное перемещение заполнителя;

Ам^-- вертикальные перемещения от действия (реакции) армирующего элемента;

- вертикальные перемещения от действия (реакции) отпора грунта по боковой

поверхности.

Вертикальное перемещение элементарного слоя конечной длины определяется выражением:

д, ■ А ■ Дг,

^т = ■

" Е-А + и- Агг/,

где ^-нагрузка, действующая на элементарный слой конечной длины [кНУм2]; Аг, - высота элементарного слоя конечной длины [м];

А—площадь поверхности [м2];

Ещ, - приведенный модуль деформации заполнителя [кПа];

и - наружный периметр поперечного сечения сваи [м];

— расчетное сопротивление ¡-то слоя грунта основания на боковой поверхности [кПа].

Вертикальные перемещения тела сваи с учетом действия (реакции) армирующего элемента Аи^ определяются выражением:

у-а . • Дг.

(4)

Епр

где V - коэффициент Пуассона;

—реакция армирующего элемента в элементарном слое конечной длины [кН/м2].

Вертикальные перемещения тела сваи от действия (реакции) отпора грунта по боковой поверхности Ам^- определяются выражением:

уа

Г '> (5)

Епр

где д^—реакция отпора груша на боковую поверхность элементарного слоя конечной длины [кН/м2].

Радиальные перемещения тела (заполнителя) и^ складываются из деформаций заполнителя под действием вертикальной нагрузки д, радиальных деформаций и^ от действия (реакции) армирующего элемента д^ и радиальных деформаций и^ от действия окружающего сваю грунта д^:

И р,-=и„+и4р/+иф,- (6)

Под действием вертикальных напряжений дл- заполнитель деформируется на величину:

и*=~Т— • (7)

где да - величина вертикальных напряжений действующих на элементарный слой конечной длины

[кН/м2];

Я - радиус песчаной армированной по контуру сваи [м].

От действия реакции армирующего элемента радиальные деформации заполнителя составляют:

=--ТГ1-• (8)

Ь»р

Радиальные деформации заполнителя от действия реакции отпора грунта, определяются выражением:

и*«=---• (9)

Епр

Разработанная методика позволяет с высокой точностью определить осадку армированного основания, напряжения и радиальные деформации армирующего элемента песчаного цилиндра. На рисунке 12 приведены графики «осадка-давление», построенные по экспериментальным, расчетным и данным численного моделирования.

о 50 100 150 200 250 Р,кПа

0,01 0,02 0,03

0,04

0,05

0,06 S,M

Рисунок 12. Сопоставление результатов расчета осадок: 1 - экспериментальные данные; 2 - теоретический расчет;

3 - результаты численного моделирования в программном комплексе FEM models;

4 - результаты численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D.

Анализ графиков «осадка-давление» показал, что разница конечных осадок

основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом, рассчитанных по методике разработанной автором, с данными натурных исследований составляет 22%, с данными расчета в программном комплексе PLAXIS 3D - 37%, с данными расчета в программном комплексе FEM models - 19%.

Осуществлена оценка экономического эффекта предложенного метода усиления слабого глинистого основания песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.

Для оценки экономической эффективности внедрения песчаных армированных по контуру свай в качестве метода усиления слабых глинистых оснований выполнено экономическое сравнение с традиционно используемыми типами фундаментов, применяемых при строительстве малоэтажных зданий. Эффективность метода оценивается по стоимости строительных материалов, зарплате рабочих и машинистов, стоимости эксплуатации машин и механизмов. Сметная стоимость каждого фундамента была рассчитана в программе «ГРАНД-Смета», все показатели для сравнения сведены к приведённым затратам на производство одного погонного метра. Результаты расчета приведены в таблице 4.

,0035 068

0,0093 ^ejm? <TS[F 1 ^Х. o,ai ■2

0,0181 0,025 оЧзо

0,0284\ 4КЧо,оЪ N 0,0364

0,0433ЛЛ » 0,0469

Ni 0,0578

Таблица 4 - Стоимость устройства фундаментов на слабых глинистых грунтах

Тип фундамента Стоимость материала на 1 п.м. фундамента, руб. Основная заработная плата рабочих и машинистов, руб. Стоимость эксплуатации машин, руб. Итого, руб.

Ленточный на буронабивных сваях 5108,8 260,37 482,73 5851,9

Ленточный на забивных сваях 8073,69 539,68 2100,97 10714,34

Ленточный на естественном основании 7158,22 387,39 359,47 7905,08

Ленточный на усиленном основании 3497,58 383,27 916,50 4797,35

Расчета экономических показателей выявил, что внедрение полученных результатов диссертационной работы в практику строительства позволит снизить стоимость фундамента от 1,5 до 2,5 раза, по сравнению с традиционно используемыми типами фундаментов, применяемыми при строительстве малоэтажных зданий на слабых глинистых основаниях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Ha основании комплексных лабораторных исследований на маломасштабных моделях установлено, что устройство армирующего элемента в виде геосетки по наружному периметру песчаной сваи стесняет её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает осадку за счёт перераспределения вертикальных деформаций на грунт, расположенный ниже границы армирования. Деформируемость грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру сваей от 1,8 до 2,8 раза меньше по сравнению с деформируемостью основания без усиления.

2. В результате лабораторных и натурных исследований выявлено эффективное соотношение диаметра d к длине / песчаной армированной по контуру сваи, равное 1/4. Доказано, что дальнейшее увеличение длины при заданном диаметре песчаной армированной по контуру сваи приводит к снижению деформируемости основания от 1,5 до 4,5 % для натурных и лабораторных исследований соответственно.

3.В результате экспериментальных исследований в натурных условиях обоснованна эффективность способа усиления слабых глинистых оснований песчаными армированными по контуру сваями под ленточными фундаментами и выявлены основные закономерности работы активной зоны усиленного глинистого основания. На первой ступени приложения нагрузки (.Pcpi~44,6 кПа) вертикальные напряжения в теле песчаных армированных по кошуру свай и межсвайном пространстве сопоставимы с распределением напряжений в грунтовом основании без усиления. На дальнейших

ступенях нагружения (до Рср5=223 кПа) отмечается резкое увеличение напряжений в теле песчаных армированных по контуру свай, что позволяет утверждать об их активном включении в работу как более жестких элементов. Вертикальные напряжения в межсвайном пространстве естественного основания на 40% меньше напряжений в песчаных армированных по контуру сваях, что приводит к снижению общей деформируемости основания.

4. Установлено что использование упругопластической модели Мора - Кулона в программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models, с погрешностью до 41% и 24% соответственно, позволяет описать НДС слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.

5. Разработана методика расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом, базирующаяся на решении плоской осесимметричной задачи Ламе, которая позволяет рассчитать осадку песчаной армированной по контуру сваи, напряжения и радиальные перемещения армирующего элемента песчаного цилиндра. Методика расчета позволяет с погрешностью до 22% рассчитать осадку слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями, на действие вертикальной нагрузки от действия ленточного фундамента.

6. Усиление слабых глинистых грунтов песчаными армированными по контуру сваями позволяет снизить стоимость фундамента от 1,5 до 2,5 раза, по сравнению с традиционно используемыми типами фундаментов, применяемыми при строительстве малоэтажных зданий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Минаева, A.B. Экспериментально-теоретические исследования работы песчаного армированного массива в водонасыщенном глинистом грунте / A.B. Минаева, A.B. Набоков, Ю.Л. Новиков // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2011 г. -№1.-С.148-153.

2. Бай ,В.Ф. Исследование напряженно-деформированного состояния основания с внедрённой песчаной армированной сваей в натурных условия / В.Ф. Бай, А.Н. Краев, А.Н. Краев, A.B. Набоков, Ю.Л. Новиков // Научно-технический вестник Поволжья. -Казань, 2011 г. - №2. - С.30-33.

3. Новиков, Ю.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния глинистого основания, усиленного песчаными армированными сваями / Ю.Л. Новиков // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2011 г. - №6. - С.225-229.

4. Новиков, Ю.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния водонасьпценного глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом / Ю.Л. Новиков, A.B. Набоков // Вестник гражданских инженеров - Санкт-Петербург, 2014 г. - 3(44)июнь - С.133-137.

В других изданиях:

5. Набоков, A.B. Исследования деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного песчаным армированным массивом / A.B. Набоков, ЮЛ. Новиков // XX Польско-Российско-Словацкий семинар Теоретические основы строительства. - Zilina, 2011 г. С.523-528.

6. Бай, В.Ф. Экспериментальное определение размеров песчаной армированной сваи, внедренной в водонасытценное глинистое основание / В.Ф. Бай, A.B. Набоков, Ю.Л. Новиков // Геотехника. Теория и практика. Общероссийская конференция молодых ученых, научных работников и специалистов: межвузовский тематический сборник трудов. - СПб., 2013 г. - С. 95-100.

7. Бай, В.Ф. Экспериментальные исследования работы сваи в слабом водонасыщенном глинистом грунте / В.Ф. Бай, A.B. Набоков, В.В. Воронцов, А.Н. Краев, Ю.А. Новиков // Строительный вестник Тюменской области. - Тюмень, 2013г. - №3. ('.50-54.

Патенты:

8. Пат. 2476643 РФ, МПК Е 02 D 5/38. Армированная песчаная свая / В.Ф. Бай, A.B. Набоков, В.В. Воронцов, А.Н. Краев, ЮЛ. Новиков, А.Н. Краев, A.B. Минаева. -опубл. 10.07.2013 г. Бюл. № 6.

НОВИКОВ Юрий Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕСЧАНЫХ АРМИРОВАННЫХ ПО КОНТУРУ СВАЙ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ ПОД ЛЕНТОЧНЫМИ ФУНДАМЕНТАМИ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

_кандидата технических наук_

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 10.04.15 г. Формат 60x90/16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ № 852.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2