автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование работы свай на горизонтальные и моментные нагрузки и совершенствование методов расчета оснований свайных фундаментов

На правах рукописи

Ж

полянкин

Александр Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СВАЙ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ И МОМЕНТНЫЕ НАГРУЗКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Специальность

05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 'и и\[ 2014

Тюмень 2014

005553999

005553999

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Королёв Константин Валерьевич

Полищук Анатолий Иванович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Пронозин Яков Александрович,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительного производства, оснований и фундаментов» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 19 декабря 2014 года в 15 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, в конференц-зале, тел. +7-(3452)-43-39-27. E-mail: vorontsov_w@tgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» www.tgasu.ru

Автореферат разослан 18 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей проектирования зданий и сооружений является максимальная экономия вложенных средств при сохранении эксплуатационных свойств сооружения. При этом следует стремиться к минимизации экономических затрат как непосредственно на строительство (оптимизация конструкций, удешевление и ускорение производства работ), так и на сам процесс проектирования, включая расчеты и инженерные изыскания.

Последние десятилетия ознаменовались интенсивным внедрением свайных технологий при проектировании и строительстве фундаментов, особенно в сложных инженерно-геологических условиях. При оценке надежности свайного фундамента одним из центральных традиционно является вопрос о несущей способности сваи по грунту. И в классических, и в численных, и в нормативных методах определения этого параметра наибольшее внимание уделяется несущей способности сваи на вдавливание и выдергивание. Для этого случая разработаны и апробированы расчетные и полевые методы определения. Указания для оценки несущей способности свай на горизонтальную нагрузку ограничены применением только полевых методов, а способы определения несущей способности свай на моментную нагрузку, например, в нормативных документах вообще не нашли отражения.

С другой стороны, величины действующих на свайный фундамент горизонтальных сил и моментов - а, следовательно, и их предельные значения - играют большую роль при расчете усилий в сваях, в частности, по обобщенной методике. Согласно этой методике если хотя бы в одной свае какое-либо усилие превысит величину несущей способности, то весь фундамент считается вышедшим в предельное состояние. Понятно, что подобный подход приводит к значительным запасам прочности основания. В этой ситуации возникает вопрос о возможности учета перераспределения усилий между сваями таким образом, чтобы не одна, а несколько свай работали в предельном состоянии. Это открывает возможности рационального проектирования и требует введения и четкого обоснования понятий несущей способности свай на горизонтальную силу и момент.

Часть перечисленных вопросов может быть снята с помощью численного моделирования. Однако границы применимости численных методов также подлежат верификации, а это составляет отдельную проблему.

Таким образом, совершенствование методов определения несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки, а также совершенствование методов расчета свайных фундаментов зданий и сооружений является актуальной задачей.

Цель работы заключалась в разработке методики определения допустимых значений горизонтальной и моментной нагрузок на сваю с учетом их совместного действия и совершенствования на этой основе обобщенной методики определения усилий в свайном фундаменте.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие конкретные задачи:

- разработать в общем виде постановку и решение задачи о несущей способности свай по грунту (о величине критической горизонтальной и моментной нагрузки), а также выполнить анализ взаимного влияния несущей способности сваи по грунту на момент и на горизонтальную нагрузку;

- разработать практическую методику совместного расчета свай на горизонтальные и моментные нагрузки, обобщить эту методику на случай медленно уплотняющихся водонасыщенных глинистых грунтов;

- выполнить проверку основных теоретических выводов экспериментально в лабораторных и полевых условиях;

-выполнить численное моделирование экспериментов; на основе сопоставления теоретических, экспериментальных и численных результатов определить границы применимости численных исследований;

-разработать методику рационального проектирования свайного фундамента, основанную на учете перераспределения нагрузок между сваями.

Предметом исследований данной диссертационной работы является взаимодействие сваи, нагруженной горизонтальной нагрузкой и моментом, с окружающим ее грунтовым основанием.

Объектом исследований является основание свайных фундаментов зданий и сооружений в момент его разрушения; свайный фундамент и грунтовое основание при достижении усилиями в сваях значений их несущей способности.

Научная новизна работы заключается:

-в предложенной методике для определения несущей способности свай по грунту на горизонтальную и моментную нагрузки и конкретизации этого решения для практических расчетов;

- в установлении линейной взаимозависимости между и Г^, а также в решении этой задачи для различных способов защемления нижнего конца сваи;

- в предложенном решении задачи о начальной несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки в водонасыщенных грунтах на базе теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева;

-в усовершенствовании обобщенной методики расчета свайных фундаментов транспортных сооружений в части учета перераспределения усилий в сваях;

- в анализе влияния геометрических параметров сваи и механических характеристик грунта на несущую способность свай.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:

-разработана методика определения несущей способности свай на горизонтальную нагрузку, моментную нагрузку и их совместное действие; составлены соответствующие графики и таблицы для практических расчетов несущей способности свай при различных способах защемления (опирания) нижнего конца сваи;

- предложена формула для расчета начальной несущей способности сваи в водонасыщенных грунтах;

- на основе сопоставления выполненных теоретических, экспериментальных и численных исследований определены границы и возможности численного моделирования работы свай на горизонтальную нагрузку;

-в расчетном обосновании возможности уменьшения числа свай и размеров ростверка при устройстве свайных фундаментов;

- в возможности использовать предлагаемые решения для любых свайных фундаментов транспортных сооружений, имея стандартный набор характеристик грунта.

Методы исследований. Основными методами, использованными в работе, являются: методы расчета упругих стержней (строительной механики); строгие методы теории мгновенной прочности грунтов; метод конечных элементов (использование программного комплекса MIDAS GTS); апробированные экспериментальные методы исследований механики грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

-решение в общем виде задачи о несущей способности свай по грунту на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом поиска наиболее невыгодного сечения сваи;

- решение задачи о несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки на основе решения Урбана и стандартного определения прочности грунта, окружающего сваю, с учетом поиска наиболее невыгодного сечения и установленная линейная зависимость между величинами несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки;

-формулы, таблицы и номограммы для определения несущей способности одиночных свай на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом различных способов защемления свай;

-методика определения начальной несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки в водонасыщенных грунтах;

-результаты полевых и лотковых экспериментальных исследований величин несущей способности свай при нагрузках, приложенных перпендикулярно к оси сваи, выполненных в глинистых и песчаных грунтах;

-усовершенствованная методика расчета и проектирования свайных фундаментов транспортных сооружений, позволяющая добиться существенной экономии при конструировании свайных фундаментов.

Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе методов исследований и расчета свайных фундаментов на горизонтальные и моментные нагрузки; в разработке нового метода расчета несущей способности свай в стабилизированных и нестабилизированных грунтовых основаниях; в проведении лотковых и натурных экспериментов; в численном исследовании, обработке и анализе его результатов; в совершенствовании методики расчета свайных фундаментов транспортных сооружений. Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в составе временного научного коллектива кафедры «Геология, основания и фундаменты», НИЛ «Тоннели и метрополитены» Сибирского государственного университета путей сообщения и ООО «Стадия-НСК» (г. Новосибирск).

Степень достоверности н апробация результатов. Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается схождением и достаточным объемом результатов проведенных математических расчетов и натурных экспериментов по исследованию работы свай на горизонтальные и мо-ментные нагрузки, а также апробированных методов строительной механики и механики грунтов при проектировании свайных фундаментов зданий и сооружений.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях «Наука и молодёжь XXI века» в 20092012 гг. в СГУПС (г. Новосибирск); на VII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых TRANS-MECH-ART-СНЕМ («Неделя Науки - 2010», г. Москва); на международных научно-технических конференциях «Геотехника: теория и практика» 2012...2013 г. (СПбГАСУ, Санкт-Петербург); на объединенном научном семинаре СГУПС (2013, 2014), на объединенном научном семинаре ТюмГАСУ (сентябрь 2014).

Внедрение результатов. Основные положения диссертации внедрены при расчете и проектировании свайных фундаментов мостов, подпорных стен и укрепительных сооружений на следующих объектах:

- пешеходный мост через железнодорожные пути станция Томусинская;

-железнодорожный путепровод при реконструкции развития путей необщего пользования ЗАО «Черниговец»;

—тоннельный комплекс №1 и №3 на «Совмещенной дороге Адлер-горноклиматический курорт «Альпика-Сервис»»;

-ограждение котлованов на объекте Новосибирского метрополитена по оценке влияния на здание окружающей застройки (от станции «Золотая нива» до станции «Молодежная»);

-многоквартирный дом с подземной автостоянкой и трансформаторной подстанцией» по ул. 1905 года в г. Новосибирске (ограждение котлована);

-многоэтажный жилой дом с подземной автостоянкой по ул. Журинская в г. Новосибирске (ограждение котлована);

— при проведении полевых испытаний свай на горизонтальную и момент-ную нагрузки на трех объектах в г. Новосибирске и г. Новокузнецке.

-предлагаемая методика расчета включена в «Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения» (Москва, 2014).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 158 страниц, в том числе 44 рисунка и 50 таблиц. Список литературы содержит 124 источника, в том числе 48 иностранных.

Диссертация соответствует пп. 1, 3, 7, 12 паспорта специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе приводится анализ существующих методов исследований и расчета свайных фундаментов на горизонтальные нагрузки. Большой вклад в становление и развитие методов расчета одиночных свай и свайных фундаментов внесли Б.В. Бахолдин, A.A. Бартоломей, В.Г. Березанцев, А.Л. Готман, Н.З. Готман, К.С. Завриев, В.В. Знаменский, P.A. Мангушев, В.В. Миронов, В.Н. Парамонов, А.Б. Пономарев, Н.К. Снитко, В.М. Улицкий, В.Г. Федоровский и др.

В настоящее время известно несколько классификаций методов расчета свай на горизонтальные нагрузки, которые систематизируют существующие методы, например, по жесткостному параметру свай, по используемой модели работы системы «свая-грунт» и т.д.

В одной из первых расчетных схем работы свай на горизонтальную нагрузку, элементы которой используются до сих пор, свая рассматривалась как абсолютно жесткий стержень, вращающийся вокруг «нулевой» точки. Сопротивление грунта моделировалось либо по классической теории предельного равновесия, либо по методу местных упругих деформаций при коэффициенте постели, линейно возрастающем с глубиной. Развитием данной группы методов занимались И.Л. Прокофьев, Э. Ломейер, A.M. Латыпенков, Н.В. Лалетин, В.Г. Березанцев, A.B. Пателеев, К. Терцаги и др.

В дальнейшем появились и по сегодняшний день развиваются методы, позволяющие учитывать деформируемость ствола сваи. Для определения сопротивления грунта в данной группе методов также используются различные модификации модели Фусса-Винклера при той или иной закономерности изменения коэффициента постели по глубине, либо грунт моделируется как континуальная линейно-деформируемая среда. Совершенствованию этих методов расчета посвящены работы К.С. Завриева, Г.С. Шпиро, Н.К. Снитко, А.Л. Готман, и др. За рубежом также активно развивается этот подход, например, в работах H.G.Poulos, T.G. Davis, R.F. Scott, W.G.K. Fleming, L.C. Reese.

Методы, базирующиеся на гипотезе коэффициента постели (р-у method), в последние годы активно развивали D.A. Brown, M. McVay, R.L. Mokwa, L.C Reese. В развитие методов расчета, основанных на теории линейно-деформируемой среды внесли значительный вклад В.Г. Федоровский, С.В.Курилло, H.A. Кулаков, H.G. Poulos, M. Budhu, T.G. Davis, P.K. Baneijee. В настоящее время эта группа методов наиболее широко используется при расчете методом конечных элементов. Здесь отметим труды C.S. Desai, M.F. Randolph, А.Р. Kooijman, A. Verruijt, A.M. Trochanis, S.K. Bhowmik, J.H. Long, M.F. Bransby. Над развитием прочих направлений методов линейно-деформируемой среды работали F. Baguelin, S.L. Lee, J.C. Small, К. Sun, W.D. Guo, и I. Einav и др.

Вместе с тем, проблема определения несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом их совместного действия до сих пор не получила достаточного развития. Хотя отдельные предложения по

этому вопросу можно обнаружить даже в нормативной литературе, но они не получили большого практического применения.

Значения горизонтальной силы и момента, действующих на сваю, косвенно ограничивает существующая нормативная проверка прочности грунта, окружающего сваю, однако она имеет существенный, на наш взгляд, недостаток - выполняется на фиксированной глубине.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям взаимодействия системы «свая-грунт» при действии горизонтальных и моментных нагрузок.

Обычная формулировка несущей способности свай - наступление явления полного разрушения грунта, окружающего сваю, - применима лишь к коротким, жестким сваям. Здесь может реализовываться выпор грунта основания, при котором свая буквально «опрокидывается». Для гибких, достаточно длинных свай практика показывает, что указанного явления свая не достигает - как правило, тело сваи разрушается от действия изгибающего момента.

В этой связи принимается следующее описание понятия несущей способности сваи, в котором учитывается явление разрушения грунта вследствие бокового давления сваи на грунт в ограниченном диапазоне, превышение которого приводит к стадии упругопластического деформирования грунта основания и нелинейного нарастания горизонтальных смещений сваи. В определенном смысле это можно считать аналогом первой критической нагрузки. Кроме того, проверка прочности грунта, окружающего сваю, от которой будем переходить к понятию «несущей способности» свай на горизонтальную и моментную нагрузку, входит в состав расчетов по I группе предельных состояний.

На рис. 1 показана принципиальная схема работы сваи в грунте под действием горизонтальной силы Н0 и момента М0.

М,

Рис. 1. Принципиальная схема: эгпора давления о, сваи на грунт (а), предельное сопротивление а„ грунта по глубине (б), условие прочности ах = а„ (в), схема к определению ст* (г)

Предполагая линейную стадию работы грунта, окружающего сваю, можно утверждать, что эпюра напряжений сг< по боковой поверхности сваи будет иметь такой вид, как показано на рис. 1, а.

При этом величина этих напряжений может быть записана в виде:

сх = аН0 + ЬМ0, (1)

где а и Ъ — переменные параметры по глубине г, определяемые конкретной моделью грунта.

С другой стороны, прочность грунта будет увеличиваться с глубиной, допустим, по линейному закону (см. рис. 1, б):

ст„ =уг/1 + с/2=Ф, (2)

где/1 и/2 - величины, зависящие от угла внутреннего трения ср; у и с - удельный вес и удельное сцепление грунта.

При увеличении Н и М на некоторой глубине 2 давление по боковой поверхности ох достигнет предельных значений аи (рис. 1, в):

аН0+ЬМ0 = у2Г1+сГ2. (3)

Рассмотрим четыре варианта нагружения сваи.

1. В случае действия только горизонтальной силы (На ф О, М0 = 0), из данного уравнения можно определить минимум горизонтальной силы по глубине, которая и будет определением несущей способности сваи на горизонтальную нагрузку.

Ф

Р<1Ьо = тш —. (4)

а

2. В случае действия только момента (Я0 = 0, М0 * 0) аналогично определяется несущая способность сваи на моментную нагрузку:

. Ф

^тО = т1п ~Г • (5>

О

3. В случае совместного действия горизонтальной нагрузки и момента (Я0 * 0, А/о # 0) при заранее заданном ненулевом моменте М0 < предельная величина горизонтальной нагрузки определяется выражением:

. Ф -ЬМ0

= -У-, (6)

а

4. При заданной поперечной силе Н0 < (#о * 0, М0 0) предельная величина моментной нагрузки составит:

. Ф-аН0

Г</т = ™-(?)

о

Существование таких минимумов установлено в численных решениях для широкого диапазона исходных данных.

Предлагаемая схема может быть использована для различных способов описания напряженно-деформированного состояния грунта вокруг сваи как в части давления по боковой поверхности ах так и в части прочности грунта а„.

Для конкретной практической реализации данной схемы, как один из возможных вариантов, нами были приняты апробированные методики для ах и о„, закрепленные в нормативных документах, что позволяет воспользоваться стандартным набором характеристик грунта, содержащимся в инженерно-геологическом отчете. Боковое давление сваи на грунт определяется известным выражением из решения Урбана:

f \

Kz

о

aE ' aj EI al EI

где «о, (öo ~ горизонтальное смещение и угол поворота сечения сваи в уровне поверхности грунта; Л], В\, Сь Di - функции относительной глубины рассматриваемой точки z — zac, az - коэффициент деформации сваи; К - коэффициент пропорциональности грунта; Ьр - расчетная ширина сваи; El - изгибная жесткость поперечного сечения сваи.

Величины щ, ш0 в свою очередь связаны с силовыми воздействиями Я0 и Л/о соотношениями:

щ=8ннН0+5нмМ0, (о0 = 5мнН0+8ммМ0. (9)

где 5нн, §hmi 5Л/И - горизонтальные смещения и углы поворота сечения сваи в уровне поверхности грунта от действия единичных силовых воздействий #о = 1 и М0 = 1, определяемые по формулам:

8яя = f'i, ' &нм = 5.U// = 2° > §мм =—(1°)

Коэффициенты А0, В0, С0, как известно, определяются в зависимости от условий закрепления нижнего конца сваи (свая заделана в скалу, опирается на скалу или висячая свая в дисперсных грунтах) и относительной глубины погружения сваи в грунт h = й-ае.

С учетом (8). ..(10) коэффициенты a{z) и b(z) в выражении (1) можно записать в виде:

Kz Л L Kz Л

-Ф„, Ь = ~—Ф,

а 5Е1 а Е1

Ф н = А)А - ЗД + А, ф М = Во А - с0Вх + С!.

Прочность грунта оценивается разностью пассивного и активного давлений, как это рекомендовано нормами, и может быть записана, аналогично (2):

4

ст„ =-(У21:8Ф + С) = +с/2 =Ф- (П)

СОвф

Учитывая равенства Кг/(а3ЕГ) = га2/Ьр и Кг/(а3ЕГ) = га2/Ьр, уравнение (3) примет вид:

2 3

2СИ 2(Х 4 —ФнН0+-—ФмМ0 =-(уг1ёср + с).

Ор Ьр СОБф

В относительных переменных (у - единица массовой силы; 1/аЕ - единица длины) это уравнение запишется в виде:

^ФнН0+-^ФмМ0=^— (г1ёф + л), (12) о у Ьу соэф

те А - А « И — М - г, -

где ор - о„ае, н0 --, м0 --, т| --.

У У У

и

Если принять в качестве искомых величин безразмерные комплексы #0 = А/д = то основное уравнение (12) в относительных переменных

Ьр Ър

примет вид:

где

Ф =

Н0-Фн+М0-Фм =Ф 4

tg9 + 3 =Ф(Ф,Л,2). cos9V z.

В результате выражения (4)...(7) можно записать в относительных переменных:

_ ф _ _ _

= тв1 — = ^с/м(Ф>М) = Нт. Фя

rdm0

■ min

ф _ _ Fdmai Ф,М) = М„

Fdh = min

фм

Ф-Ф иМп. -

Ф

M1V'Q Н

Fdh(<s?,h,T\,Mo),

область недопустимых нагрузок на сваю

— Ф — Ф IfHn — — —

Fdm = min- " = Fdm{ Ф Щ)-

фм

Итак, можно утверждать, что несущие способности сваи на горизонтальную нагрузку и моментную нагрузку должны рассматриваться совместно. Нп 11 Исследование взаимной зави-

симости Fdh и Fdm показало линейную зависимость между ними (рис. 2). На данном графике выделяются две зоны. Если сила и момент, действующие на сваю, оказываются ниже линии - это означает безопасную работу грунта. Если выше - недопустимую.

Для практического применения предлагаемой методики разработаны вспомогательные таблицы и номограммы, содержащие Нт и Мт для различных исходных данных.

Пример таких номограмм показан на рис. 3. Данные графики свидетельствуют об увеличении прочности по мере увеличения характеристик прочности и длины свай.

О

Рис. 2. Зависимость между Fdh и /v,„

Рис. 3. Значения Рам) =Нт и Ратй = Мт от параметра г|_для ф = 10° при различных величинах относительной длины сваи И = И = И ае

Сопоставлением Нт и Мт при различных способах заделки сваи в грунт установлено, что при малой длине сваи способ заделки играет существенную роль, а с увеличением длины сваи влияние защемления сваи уменьшается.

При расчете фундаментов русловых опор особое значение имеет случай медленно уплотняющихся водонасыщенных глинистых грунтов. В качестве теоретической основы для описания прочности водонасыщенных грунтов, нами была принята теория мгновенной прочности Ю.И. Соловьева. Отметим, что именно кратковременному нагружению грунта горизонтальными нагрузками, которое и рассматривается в данной теории, подвергаются водонасыщенные основания мостовых опор.

Прочность водонасыщенного глинистого грунта в рамках этой теории описывается выражением:

т = стэтр + А-соэр, (13)

где х = (сГ] - с3)/2, сг = (и, + а3)/2 - полусумма и полуразность главных напряжений, р и к - параметры прочности водонасыщенного грунта, определяемые зависимостями:

втр = (1-Р)зтф, Лсоэр =Ра'0зтф + ссо8ф. (14)

В формулах (14): его - среднее эффективное напряжение, достигнутое в точке грунта к моменту приложении предельной нагрузки; р - коэффициент мгновенного порового давления, равный отношению приращений избыточного порового давления Ди и полного среднего напряжения Дет, возникающих при приложении предельной нагрузки:

Ду

В = —, Дст = Да' + Дм,

Дет

Да' - среднее эффективное напряжение, возникающее в точке грунта при его нагружении до предельного состояния

Оценивать прочность водонасыщенного грунта, непосредственно окружающего сваю, здесь предлагается по той же методике, что и заложена в СП, т.е. как разность активного и пассивного давлений водонасыщенного грунта.

Найдем величины активного и пассивного давлений по известной схеме предельного равновесия, опираясь на условие прочности (13), и принимая гидростатический характер начального распределения бытовых эффективных

напряжений: ст0' = у/ + ц, ц - некоторая равномерно распределенная нагрузка на поверхности грунта. Результат запишем в виде:

1 + (1-р)зтф 1 + (1 — (3)5Шф ,1 + (1+В)5Шф „ С05ф

1-(1-|3)5Шф 1-(1-Р)Бтф Тогда искомое условие прочности водонасыщенного глинистого грунта, окружающего сваю, представим в виде:

4собф

-^-(уг^ф + с).

1 -(1—Р) вт ф

Рис. 4. Зависимости ^(ф) и

Это условие будет отличаться от условия прочности грунта в стабилизированном состоянии (11) лишь постоянным коэффициентом:

С052ф

1-(1-Р)25Ш2ф

Таким образом, несущая способность свай в водонасыщенных грунтах будет связана с полученными ранее выражениями посредством равенств

Влияние ф и р на коэффициент Е, показано на графиках (рис. 4).

В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных исследований. Первая часть экспериментальных работ - это испытания свай на горизонтальную нагрузку в лабораторных условиях. Они проводились в большом пространственном лотке кафедры «Геология, основания и фундаменты» СГУПС. В качестве грунта использовался песок средней крупности и 14 типов деревянных свай квадратного сечения: длиной 20, 25, 30, 40 и 50 см и со стороной сечения 2, 3 и 4 см. Целью опыта было определение несущей способности свай на горизонтальную нагрузку, а также влияния на эту величину геометрических параметров.

На рис. 5 выборочно приведены некоторые результаты этих испытаний в виде графиков зависимостей горизонтальных перемещений от горизонтальных сил, а также сопоставление с несущей способностью (вертикальная линия на графиках), рассчитанной по изложенной выше методике. Здесь можно сделать

два вывода. Первое — экспериментально установлено, что несущая способность сваи на горизонтальную нагрузку увеличивается с увеличением длины и диаметра свай. Второе - рассчитанное значение /^л составляет от 50 до 90 % от экспериментального. __

100.0 90,0 80.0 70.0

}о.о

|о.о 10.0 20.0 10.0

Рис. 5. Результаты лотковых испытаний и сопоставление с теоретической оценкой (вертикальная линия) несущей способности

Аналогичные опыты были проведены в полевых условиях на глинистых грунтах. Испытания проводились на трех объектах в г. Новосибирске и Новокузнецке. Целью проведения испытаний было сопоставление теоретических оценок /V/, с опытными данными. Испытания свай статическими горизонтальными нагрузками проводились по стандартной методике.

Некоторые характерные графики горизонтальное «перемещение-нагрузка», приведены на рис. 6. Там же вертикальной линией обозначено теоретической значение несущей способности сваи на горизонтальную нагрузку.

Рис. б. Результаты полевых испытаний и сопоставление с теоретической оценкой (вертикальная линия) несущей способности

Как и ранее, рассчитанное значение оказалось стабильно, а иногда и существенно меньше, чем фактическая несущая способность. Анализ результатов лотковых и полевых экспериментов позволяет сделать важный вывод о том, что предложенная методика определения несущей способности свай на горизонтальную нагрузку, дает оценки, близкие к тем, что по аналогии с известными решениями задач о штампе, можно называть первой критической нагрузкой.

Четвертый раздел посвящен численному моделированию работы свай на горизонтальную нагрузку. Здесь ставилось две основных задачи. Первая — чис-

-♦-Лотковые испытания

Л11Н11Я

-*-3D тело

Рис. 7. Пример КЭ-сетки (а) и результаты численного эксперимента и лотковых испытаний (б) с сопоставлением со значением /V/,, определенной по предложенной методике (вертикальная линия)

ленное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового основания лотковых и полевых экспериментов с целью выяснения границ применимости МКЭ для данного класса задач. Второе - выяснение влияния типа поперечного сечения сваи на процесс деформирования в установленных границах. При моделировании лотковых экспериментов расчет выполнялся в комплексе MIDAS по двум схемам: свая моделировалась как стержень (3D-линия) и как пространственное тело (ЗО-тело).

Грунт моделировался как идеально-упругопластическая среда с условием прочности Кулона-Мора. На рис. 7 представлены расчетная схема и некоторые из полученных результатов численного моделирования лотковых испытаний.

Как видно из представленного рисунка, моделирование сваи как 313 линии и ЗБ тела дает незначительный разброс результатов между собой. Сопоставление же теоретической оценки опытных данных и КЭ-расчетов свидетельствует о том, что при превышении горизонтальной силой величины расхождение КЭ-расчетов и опытных данных, становится качественным.

45 50

°

О 10 20 30 40 50 00 70 О 10О 2ЧО ЛОи чии

Ншрркл кН Нагрузка. кН

Рис. 8. Результаты численного эксперимента и полевых испытаний на объекте ул. Овражная (а) и ул. Танковая (6) с сопоставлением со значением ЯХ определенной по предложенной методике (вертикальная линия)

Численное моделирование полевых экспериментов проводилось по аналогичной схеме. Свая моделировалась как ЗО-тело. Основной вывод по результатам данного этапа численного моделирования (рис. 8), подтверждает сделанный

ранее - если горизонтальная нагрузка на сваю не превышает теоретического значения Гл, численное моделирование системы «свая-грунт» дает вполне приемлемые с практической точки зрения результаты. Полученное решение вопроса о границах применимости МКЭ для таких схем позволяет рассмотреть широкий круг практически важных задач о влиянии разнообразных параметров на деформируемость системы «свая-грунт», используя доступные на сегодняшний день программные средства в сочетании с предложенной выше методикой расчета Рл.

В пятом разделе изложено совершенствование обобщенной методики определения усилий в сваях в части учета перераспределения усилий при выходе одной или нескольких свай в предельное состояние. На рис. 9 показана известная расчетная схема обобщенной методики (метод перемещений при упругом защемлении гибких свай в грунт и жестком ригеле).

PL

/® © O

/ /: K¡ a2= 0 X? xf \Á

jrf*

\

Рис. 9. Расчетная схема к определению усилий в сваях (а) и направление положительных усилий и перемещений в уровне головы сваи (б)

Согласно действующей методике в случае превышения хотя бы одним усилием значения несущей способности хотя бы в одной свае, необходимо менять конструкцию фундамента. Наше предложение состоит в том, чтобы в этом случае выполнить перерасчет свайного фундамента, но вместо усилий, которые превысили свои предельные значения, на следующей итерации подставлять соответствующую несущую способность. Заметим, что для этого необходимо иметь аналитические выражения Fjh и F¿m и аналитическую зависимость между ними.

После соответствующей корректировки уравнения равновесия ростверка примут вид:

п п

X Ni cosoc,5/v - H i sin a,8,u = i=\ i=i

Fv " cosa,(l -5¡v)kjr +YjFMsmai(\-5iu)klu;

7=1 ¡=1

2] Ni sin a,5,v + £ Hj с osa ,5 ,„ = (=1 /=1

= Fh~Y,Fd sm<x,-(l-8fv )kiv - £ Fdhlcosa,(\ - 8 m)k,

NjXi cosa,8iV - ^ HjXj sin а,-б,,,

i=l

î=I

+ fjM£iu=M-

i=1 и

i= 1

V

(Ho,:.Mil)

I \

- Zcosa/(l - siv+ z^ЙЛ sin«10 -- XFrfmi(l - 6il()£i(0.

/=1 1=1 ¿=1 Здесь введены следующие обозначения: при работе сваи на вдавливающую и выдергивающую нагрузку в допредельной стадии S,v = 1 и в предельной стадии б,,, = 0. Аналогично, работа сваи на горизонтальную и моментную нагрузку характеризуется значениями показателя 8,„ = 1 (допредельная стадия), 5,„ = 0 (предельная стадия). Коэффициенты kiH и к,м контролируют знаки соответствующих усилий.

Отдельно следует остановиться на способах задания в данном расчете Fdh и Fj,„, учитывая их взаимную зависимость (рис. 10). Если горизонтальная сила и момент разнонаправлены, то они компенсируют друг друга и, в принципе, параллельные линии в первой и третьей четвертях теоретически должны быть продолжены до бесконечности. Если горизонтальная сила и момент направлены в одну сторону и их значения таковы, что они определяют точку в недопустимой области в первой и третьей четвертях графика, то на следующем этапе расчета, эти усилия возвращаются на предельную линию пропорциональным уменьшением усилий, как показано на схеме.

Однако, учитывая сложный характер нагружения мостовых конструкций, мы считаем, что на данном этапе будет правильно ограничить разнонаправленные факторы H и M значениями их несущих способностей так, как это показано во второй и четвертой четвертях графика. Соответственно, способ «возвращения усилий» в этом случае также дан на рис. 10.

Эта методика включена в «Справочник геотехника» 2014 года и может быть предложена для расчета гибких заглубленных подпорных сооружений.

Рис. 10. График несущих способностей F^ и Fjm при различном взаимном направлении усилий Я,0

и М,й

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан общий подход к решению задач о несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки с учетом их совместного действия, который может быть использован для практических расчетов, в частности, с использованием апробированных методик Урбана и известного условия прочности грунта, окружающего сваю.

2. Получены аналитические выражения для определения несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки в зависимости от длины свай, изгибной жесткости, а также параметров прочности грунта, на основе поиска наиболее опасного сечения с точки зрения потери прочности грунта. Установлен линейный характер взаимной связи значений несущей способности сваи на горизонтальную и на моментную нагрузки.

3. Разработана инженерная методика расчета несущей способности свай с использованием вспомогательных таблиц и графиков, приведенных в приложении к диссертации. Эта методика включена в «Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения» (Москва, 2014).

4. Полученное решение задачи о несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузку конкретизировано для трех основных видов защемления свай: для висячей сваи, для сваи, опирающейся на скалу, и для сваи, защемленной в скальном грунте. Показано, что в наибольшей степени способ заделки влияет на деформацию сваи, имеющей небольшую длину. Эти решения обобщены для свай в водонасыщенных глинистых грунтах и установлено, что в этом случае несущая способность может снижаться до 50%.

5. В лотковых и полевых экспериментах установлено, что теоретические значения несущей способности свай на горизонтальную нагрузку отвечают началу разрушения грунта и составляют 50...90% от нагрузки, отвечающей полному исчерпанию несущей способности основания. Показано, что предлагаемый подход к определению несущей способности свай содержит резерв прочности основания и дает величину, которую можно расценивать как аналог первой критической нагрузки.

6. Сопоставление полученных экспериментально-теоретических данных с результатами численных расчетов МКЭ позволило установить границы применимости численных методов для этого класса задач. Показано, что применение МКЭ корректно при горизонтальных нагрузках на сваю, не превышающих теоретическую оценку Рл. Этот вывод дает возможность обоснованного применения МКЭ с целью учета влияния ряда дополнительных факторов, которые невозможно учесть аналитически. В качестве иллюстрации было исследовано влияние формы поперечного сечения сваи на характер деформирования сваи под действием горизонтальной силы.

7. Полученные выше решения позволили рассмотреть вопрос о рациональном проектировании свайных фундаментов, подвергающихся воздействию, помимо вертикального, значительным горизонтальным и моментным силовым воздействиям. Была усовершенствована обобщенная методика расчета свайных фундаментов в части перераспределения усилий между сваями при достижении

этими усилиями в некоторых сваях предельных значений. Данный подход позволяет добиваться существенной экономии при сооружении свайных фундаментов за счет уменьшения количества свай, размеров ростверка и, следовательно, котлованов. Внедрение этой методики на конкретных объектах позволяло увеличивать несущую способность фундамента на 40%.

Список работ опубликованных автором по теме диссертации.

По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ:

I. Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнаут России

1. Полянкин А.Г. Несущая способность свай на горизонтальную и моментную нагрузку и оптимальное проектирование свайных фундаментов / Королев К.В., Кузнецов А.А. // «Транспортное строительство», №3, 2013, с.13-15.

2. Полянкин А.Г. Совершенствование обобщенной методики определения усилий при проектировании свайных фундаментов транспортных сооружений // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего востока, №2, Издательство НГАВТ, 2013.

3. Полянкин А.Г. Метод расчета свайных фундаментов транспортных сооружений с позиции их рационального проектирования // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» № 6 , 2013.

//. Статьи в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций

4. Полянкин А.Г. Расчет несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки / Королев К.В.// Вестник СГУПС, 2010, с.34-39.

5. Полянкин А.Г. Исследования несущей способности сваи на горизонтальные воздействия //«Наука и молодежь XXI века. Материалы IX научно-технической конференции студентов и аспирантов». Часть 1. Технические науки. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2011, с. 55.

6. Полянкин А.Г. Лотковые испытания сваи на горизонтальную и моментную нагрузки / Ефимов С.В., Карян Г.Г. // «Наука и молодежь XXI века. Материалы IX научно-технической конференции студентов и аспирантов». Часть 1. Технические науки. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2011, с. 47-48.

7. Полянкин А.Г. Особенности расчета несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки // Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии. Выпуск 1, Новосибирск, 2013, с.124-133.

8. Полянкин А.Г. Натурные испытания работы свай на горизонтальные и моментные нагрузки / Кузнецов А.А., Королев К.В. // «Железные и автомобильные дороги в сложных условиях: сб. научн. ст.», СГУПС, 2013, с. 75-82.

9. Полянкин А.Г. Экспериментально-численные исследования несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки / Карян Г.Г. // «Железные и автомобильные дороги в сложных условиях: сб. научн. ст.»„ 2013, с. 89-97.

10. Полянкин А.Г. Вопросы исследования несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки в полевых условиях // «Наука и молодежь XXI века. Материалы XI научно-технической конференции студентов и аспирантов». Часть 1. Технические науки. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2013, с. 73-75.

11. Полянкин А.Г. К расчету заглубленных незаанкеренных подпорных стенок / Караулов A.M. // Труды Всероссийской НТК "Геотехника: теория и практика", Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2013, с. 165-169.

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 17.10.14. Формат 60x90/16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,19. Тираж 100 экз. Заказ № 820.

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