автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование взаимодействия вертикально нагруженных буронабивных свай с основанием и их расчет с использованием статического зондирования

На правах рукописи

Глазачев Антон Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ОСНОВАНИЕМ И ИХ РАСЧЕТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

2 8 АВГ 2014

005551952

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (ПНИПУ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Готман Альфред Леонидович

Официальные оппоненты: Рыжков Игорь Борисович

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО "Башкирский государственный аграрный университет", профессор кафедры природообустройства, строительства и гидравлики

Исаев Олег Николаевич

кандидат технических наук, ОАО "НИЦ "Строительство" Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова, ведущий научный сотрудник лаборатории освоения подземного пространства городов

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства"

Защита состоится ОЗ 2014 года в на заседании дис-

сертационного совета Д 212.138.08, созданного на базе ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://vvww.mesu.ru ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет".

Автореферат разослан 2.0 . О Я 2014 г.

Ученый секретарь -А—-Знаменский

диссертационного совета Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день в области жилищного строительства основной объем составляют многоэтажные дома. Но с каждым годом заметно увеличивается доля малоэтажного строительства. Это увеличение происходит как в связи с более доступной стоимостью квадратного метра, так и с развитием разного рода социальных программ по доступному, жилью. Низкая стоимость такого жилья требует мероприятий по минимизации затрат на всех этапах проектирования и строительства.

В качестве фундаментов при строительстве на площадках, сложенных глинистыми грунтами, высокой популярностью обладают буронабивные сваи с монолитным железобетонным ростверком.

На этапе проектирования таких фундаментов обычно используются данные инженерно-геологических изысканий с бурением скважин по укрупненным сеткам, что приводит к снижению достоверности при расчетах по несущей способности. Бурение скважин в «пятне» каждого здания связано со значительным удорожанием для конечного потребителя. В связи с этим существует необходимость использования более дешевых методов инженерных изысканий с достаточно высоким уровнем достоверности. Одним из таких методов можно отметить статическое зондирование грунтов.

Статическое зондирование достаточно успешно применяется при расчете забивных свай, чего нельзя сказать о буронабивных. Анализ существующих методик расчета с использованием данных статического зондирования показал, что предлагаемые строительными нормами методы расчета не вполне отражают действительного характера работы буронабивных свай с фунтом основания. В ныне действующих нормах, таких как СП 24.13330.2011, представлены таблицы для расчета буронабивных свай с использованием значений только лобового сопротивления зонда. При этом действие данной методики распространяется только на сваи длиной свыше 5 м и диаметром 600-1200 мм. Предлагаемые методы расчета, как правило, дают существенные занижения по несущей способности, тем самым приводят к необоснованным запасам и, как следствие, большим финансовым затратам.

Поэтому исследование закономерностей и особенностей совместной работы буронабивных свай и грунтов основания, а также разработка метода расчета несущей способности вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтов с использованием данных статического зондирования являются актуальными.

Объект исследования - вертикально нагруженные буронабивные сваи небольшого диаметра (300-600 мм), постоянного по длине сечения, устроенные в глинистых грунтах без крепления стенок скважины на глубину (до 10-12 м), при которой возможно использование результатов наиболее распространенных зондирующих установок.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние системы «вертикально нагруженная буронабивная свая - основание».

Цель работы заключается в разработке методики расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования с учетом характера взаимодействия с грунтом основания.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- с помощью экспериментальных и численных исследований изучить особенности формирования НДС системы «вертикально нагруженная буронабивная свая - основание» на разных стадиях нагружения вплоть до достижения предельного состояния основания;

- изучить взаимосвязь между параметрами статического зондирования (Чс, и сопротивлением грунта под торцом и на боковой поверхности буро-набивной сваи, и на этой основе получить систему коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта основания буронабивных свай;

- построить расчетную схему и разработать методику расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку по данным статического зондирования;

- разработать методику построения графиков «нагрузка-осадка» с использованием данных статического зондирования;

- сопоставить результаты расчета по предложенной методике с существующими расчетными методами и выполнить оценку сходимости и достоверности полученных значений.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Получены коэффициенты перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай с учетом влияния обоих параметров зондирования (д0

2. Построена расчетная схема с учетом характера взаимодействия грунта с боковой поверхностью буронабивной сваи и разработана методика расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования.

3. Выявлены зависимости величин сдвиговых осадок для буронабивных свай от данных статического зондирования, с использованием которых была разработана методика построения графиков «вертикальная нагрузка-осадка».

Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментальных исследований с применением современного электронного оборудования и тензометрической аппаратуры, а также численных исследований с использованием сертифицированных геотехнических программ, реализующих МКЭ.

Практическая значимость и реализация работы.

Практическая значимость состоит в разработке метода расчета несущей способности буронабивных свай в глинистых грунтах по данным стати-

ческого зондирования с возможностью его использования на практике при проектировании фундаментов из буронабивных свай.

Результаты исследований внедрены при проектировании фундаментов из буронабивных свай на объекте «Цех лесопиления в г. Белорецке, Республики Башкортостан», что позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 65 тысяч рублей в базовых ценах 2001 г.

Результаты выполненных исследований были использованы при вариантном проектировании фундаментов опор навесов трибун при реконструкции стадиона «Нефтяник» в г. Уфе Республики Башкортостан. Применение данного исследования позволило спрогнозировать несущую способность буронабивных свай, что и было подтверждено результатами статических испытаний натурной сваи.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 22-24 сентября 2010 г.); XV юбилейной Международной научно - технической конференции, при XV специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2011» (г. Уфа, Республика Башкортостан, 9-11 марта 2011 г.); II Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, 5-6 апреля 2011 г.); Всероссийской конференции научных работников, молодых ученых и специалистов «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013 г.); научно-технической конференции с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике» (Липецк, 27-29 октября 2013 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в анализе существующих результатов исследований и методик расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования, а также постановке основных задач исследований;

- в проведении натурных исследований с использованием маломасштабных буронабивных свай;

- в проведении численных исследований с обработкой и систематизацией полученных результатов, включающих выявление и построение графических зависимостей, а также их анализ;

- в определении коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивной сваи;

- в разработке методики расчета несущей способности буронабивных свай по грунту, а также методики построения кривых «вертикальная нагрузка - осадка» по данным статического зондирования;

- в проведении сравнительного анализа и сопоставительного расчета с использованием предлагаемой методики и результатов натурных испытаний свай.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований научному руководителю, доктору технических наук, профессору Альфреду Леонидовичу Готману, а также заведующему отделом строительных конструкций ГУП института «БашНИИстрой» доктору технических наук Юрию Михайловичу Шеменкову.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных и численных исследований вертикально нагруженных буронабивных свай, методика расчёта их несущей способности по грунту и методика построения кривых «вертикальная нагрузка - осадка» по данным статического зондирования в глинистых грунтах.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 5 изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 6 приложений. Диссертационная работа содержит 153 страницы машинописного текста, 62 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

В первой главе выполнен обзор существующих конструктивных решений буронабивных свай и методов их расчета по результатам статического зондирования грунтов.

Согласно СП 24.13330.2011 буронабивные сваи являются разновидностью широкого семейства буровых свай и разделяются на пять видов. В общем виде можно сказать, что конструктивные особенности буронабивных свай определяются технологическими признаками: способом их устройства, возможностями применяемого оборудования и принятой технологией изготовления. Характерной особенностью технологии устройства буронабивных свай является предварительное бурение скважины до заданной отметки и последующее формирование ствола сваи.

В области фундаментостроения одной из причин снижения достоверности результатов, полученных с помощью существующих методов расчета, является недостаточно высокая точность традиционных методик определения расчетных характеристик грунта. Высокая стоимость и трудоемкость лабораторных исследований грунтов не позволяет оценивать их расчетные характе-

ристики в каждой точке по глубине скважины. Таким требованиям лучше всего отвечает статическое зондирование, которое позволяет в кратчайшие сроки получить сведения о расчетных характеристиках фунтов в любой точке по глубине скважины в условии их естественного залегания. Кроме того, быстрота и простота данного метода дают возможность выполнения значительно большего количества измерений, чем традиционные методы с использованием бурения скважин.

Одной из важнейших областей применения статического зондирования является определение удельных сопротивлений грунта под торцом и на боковой поверхности сваи в предельном состоянии, используемых для определения несущей способности на вертикальную нагрузку. Ввиду сложности получения теоретических зависимостей характеристик грунта основания от данных статического зондирования применяются инженерные методы расчета, основанные на эмпирических зависимостях. В основе этого расчета лежит двучленная формула, где первый член определяет сопротивление торца, второй - сопротивление боковой поверхности сваи по грунту.

Наибольший вклад в изучение статического зондирования грунтов внесли работы следующих ученых: Г.К.Бондарика, М.С.Захарова, Р.С.Зиангирова, О.И.Игнатовой, О.Н.Исаева, Л.Г.Мариупольского, В.Ф.Разоренова, И.Б.Рыжкова, Г.Санглера, М.А.Солодухина, Ю.Г.Трофименкова, В.И.Ферронского, H.K.S.Begemann, Б.Е.Вигш, Р.\У.Маупе, Я.О.СатрапеПа, Р.К.ЯоЬеПзоп, Т.Ьиппе и др.

За прошедшее время в область расчета свайных конструкций с использованием статического зондирования был внесен значительный вклад следующими исследователями: Ю.А.Багдасаровым, Б.В.Гончаровым, А.Л.Готманом, Н.З.Готман, А.М.Дзаговым, Г.С.Колесником, Л.Г.Мариупольским, Г.В.Миткиной, И.Б.Рыжковым, Ю.Г.Трофименковым, Ю.М.Шеменковым и др.

Анализ существующих расчетных методов буронабивных свай по данным статического зондирования показал, что в подавляющем большинстве случаев при определении сопротивления грунта на боковой поверхности не учитываются показания муфты трения зонда в отличие от методики расчета забивных свай. Использование зависимостей сопротивления грунта на боковой поверхности буронабивной сваи только от дс не в полной мере отражает действительную картину, так как получается, что при постоянном значении дс и разных значениях/„ сопротивление грунта на боковой поверхности сваи остается постоянным, что не соответствует действительности. А в случае, если свая работает как висячая, то недооценка сопротивления грунта на боковой поверхности может привести как к завышению, так и занижению реального сопротивления сваи по грунту. В связи с этим можно сделать вывод, что вопрос применения данных статического зондирования при расчете несущей способности буронабивных свай остается мало изученным. Это предположение подтверждается тем, что в существующих нормах предпочтение отдается расчету по показателю текучести. Также для расчета по данным ста-

тического зондирования существует ряд ограничений по размерам сваи — диаметр не менее 0,6 м и длина не менее 5,0 м.

На основании проведенного литературного обзора и анализа существующих методик расчета были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты натурных экспериментальных исследований работы буронабивных свай в глинистых грунтах под действием вертикальной вдавливающей нагрузки, выполненных на двух опытных площадках с различными инженерно-геологическими условиями. Также обосновывается возможность применения данных статического зондирования для определения стандартных механических характеристик грунта при численном моделировании.

Наибольший вклад в практическое изучение работы свайных фундаментов с окружающим массивом грунта внесли работы следующих авторов:

A.А.Бартоломея, Б.В.Бахолдина, В.Г.Березанцева, Н.М.Герсеванова,

B.С.Глухова, В.Н.Голубкова, Б.В.Гончарова, А.Л.Готмана, Н.З.Готман, A.A. Григорян, Б.И.Далматова, В.К.Дмоховского, Н.В.Жукова, Ю.К.Зарецкого,

B.В.Знаменского, В.А.Ильичева, П.А.Коновалова, В.И.Крутова, Ф.КЛапшина, В.В.Лушникова, А.А.Луги, Р.А.Мангушева, И.Т.Мирсаяпова, Р.М.Нарбута, Е.М.Перлея, А.В.Пилягина, А.И.Полищука, А.Б.Пономарева,

C.А.Тер-Галустова, З.Г.Тер-Мартиросяна, Ю.Г.Трофименкова В.М.Улицкого, С.Б.Ухова, В.Г.Федоровского, Д.М.Шапиро, А.М.Ягудина и др.

На первой опытной площадке автором выполнялись натурные исследования с использованием двух маломасштабных буронабивных свай диаметром 130 мм с погружением в грунт на 1100 мм. Площадка характеризуется залеганием в пределах вскрытой толщи (до 2 метров) глинами и суглинками от полутвердой до твердой консистенции. Исследования проводились в два этапа: первый — статическое испытание свай с измерением вертикальных перемещений грунта основания с помощью глубинных марок; второй - откопка сваи с визуальным осмотром и отбором монолитов грунта на различных глубинах.

По результатам первого этапа исследований были получены величины осадок свай и глубинных марок в зависимости от приложенной нагрузки. Для оценки зоны деформаций грунта ниже торца сваи строились эпюры изменения вертикальных перемещений грунта (см. рисунок 1) в сечении, расположенном на расстоянии 50 мм от боковой поверхности сваи, в зависимости от приложенной вертикальной нагрузки на эту сваю. На рисунке 1 видно, что глубина сжимаемой зоны увеличивается по мере загружения и при достижении предельного состояния достигает 300 мм или 2,3 диаметра сваи.

По результатам второго этапа исследований была откопана одна свая для визуального осмотра и отбора грунта основания на различных глубинах и расстояниях от сваи. В ходе осмотра было отмечено, что по всей длине сваи обеспечивается контакт боковой поверхности с грунтом. При извлечении сваи образованная полость имела в целом гладкую поверхность, получившую в результате перемещения этой сваи. Сама же свая по всей боковой поверх-

ности была покрыта слоем «налипшего» грунта толщиной 3-6 мм, что хорошо наблюдалось на её поперечном разрезе, т.е. можно сказать, что сдвиг по боковой поверхности у буронабивной сваи происходит не на контакте «бетон-грунт», а по фунту на некотором расстоянии от поверхности сваи.

I

Р-20КН Р»25кН

РИОкН Р-15кН

Р-27,5кН

а)

Рисунок 1 - Эпюры перемещения фунта основания в вертикальном сечении на расстоянии 50 мм от сваи в зависимости от величины приложенной на-

фузки в)

Ь—

10

Рисунок 2 - Точки отбора образцов грунта (а), а также изолинии изменения плотности скелета грунта (б) и коэффициента пористости (в)

]■ «1130,1.

По результатам отбора грунтов были определены их физические характеристики в различных точках основания сваи. Для анализа использовались два параметра: изменение коэффициента пористости и изменение плотности скелета фунта. Полученная форма изополей изменения данных физических характеристик (см. рисунок 2) имеет вид «луковицы» с максимальными значениями под торцом сваи. Что касается величины области деформаций, то можно отметить, что изменения физических характеристик грунта после значительной осадки сваи более 75 мм (0,586) происходят в основном под торцом на расстоянии менее трех диаметров сваи вниз и до двух диамет-

ров в сторону от оси. В области же боковой поверхности физические характеристики грунта изменяются на расстоянии менее 0,4 диаметра сваи от боковой поверхности.

На второй опытной площадке выполнялись натурные исследования с использованием буронабивной тензосваи. Для данного эксперимента тензос-вая была выполнена длиной 8,0 м и диаметром 650 мм. Через каждые 2 метра были установлены четыре тензометрические мессдозы стаканного типа. Опытная площадка характеризуется залеганием в верхнем слое (до 4 метров) пластичных супесей, которые подстилают суглинки от тугопластичной до твердой консистенции.

По результатам показания мессдоз давления в ходе испытания тензосваи были построены графики распределения нагрузки по длине сваи и эпюры распределения сопротивления грунта на боковой поверхности (см. рисунок 3).

а) б) в) г)

« ж 300 -ИМ 500 600 700 Р.кИ 0 15 30 Г.кПа 0 100 1Я)/..«Д. I) 30 40 яв

---Точка ! --Точки 3 -Точка 4

А

ц

4

< » V

» > / ^ У>

-

V.)

N. V \

N > // чч у

г!Г

1

£!---Точка 1 «...... ТВ - - Точка 3 М — Точно 4

Рисунок 3 - Графики распределения вертикальной нагрузки по длине тензосваи (а) при Р= 100...800 кН (1 ...8), удельного сопротивления грунта на боковой поверхности тензосваи (б) и зонда (в), изменения индекса трения по глубине (г)

Как видно из рисунка 3, при нагружении сваи нагрузками до 200 кН несущая способность сваи обеспечивается сопротивлением грунта только по боковой поверхности. Причем в работу боковая поверхность сваи вступает постепенно, сначала в верхней части, а затем и нижерасположенные участки. При нагрузке 300 кН в работу вступает торец, и с этого момента приращение сопротивления сваи по грунту обеспечивается как боковой поверхностью, так и торцом. Из рисунка 3 также видно, что, начиная с нагрузки 300 кН, исчерпывается приращение сопротивления грунта на боковой поверхности в верхней части. Таким образом, при нагрузке, превышающей 300 кН, сопротивление грунта на боковой поверхности на участке 0-1 м остается постоянным, затем при нагрузке 400 кН - на участке 0-2 м, при нагрузке 500 кН - на участке 0-3 м. В конечном итоге при нагрузке 600 кН приращение сопротивле-

ния фунта на боковой поверхности прекращается по всей длине сваи.

Исходя из результатов испытания тензосваи, общий характер работы боковой поверхности на границе «свая-грунт» выглядит следующим образом: по мере загрузки сваи постепенно в работу вовлекаются сначала верхние, а затем и нижерасположенные участки сваи. Верхние участки боковой поверхности сваи начинают работать сразу же по загружению, далее суммарное сопротивление увеличивается по мере роста нагрузки до того момента, когда в работу вступит торец сваи. С этого момента интенсивность увеличения сопротивления грунта на боковой поверхности постепенно затухает. Когда в работу включится вся свая и по всей её длине начинается проскальзывание грунта, то сопротивление грунта на боковой поверхности достигнет своего максимального значения, и дальнейшее приращение нагрузки будет восприниматься только торцом.

В третьей главе приведены методика, планирование и результаты численных исследований взаимодействия вертикально нагруженных бурона-бивных свай с основанием.

Для приближения к реальному поведению грунтовой среды выполнено численное исследование НДС взаимодействия грунтового основания и вертикально нагруженной буронабивной сваи с учетом образования и развития зон пластических деформаций во всем диапазоне изменения нагрузки. При решении поставленных задач использовался геотехнический расчетный комплекс Р1ах1з 2В, реализующий метод конечных элементов.

При планировании численных экспериментов были определены следующие параметры, варьирование которых может влиять на конечные результаты: данные статического зондирования /,; диаметр (с!) и длина (Ь) буронабивной сваи.

Данные статического зондирования принимались в пределах дс=600...4000 кПа и^=23...200 кПа. Исходя из того, что в данной работе рассматриваются только глинистые грунты, комбинации значений цс и^ принимались в пределах индекса трения от 10 до 50. Геометрические параметры буронабивной сваи были ограничены в пределах диаметра с/=0,3...0,6 м и длины Ь-3...9 м. Исходные данные расчетных характеристик грунта для численных исследований (с, (р, Е) определялись исходя из данных статического зондирования в каждой комбинации по известным зависимостям. В качестве постоянных принимались удельный вес у= 19,0 кН/м3 и коэффициент Пуассона у= 0,35. Так как зависимости не предполагают влияния глубины заложения слоя грунта на его расчетные характеристики, то основание принималось однородным по всей глубине.

Расчетная модель разбивалась на 2 области с различными характеристиками: 1 - свая; 2 - грунт природного сложения. Для моделирования контакта сваи с грунтом вводились интерфейсные элементы. В расчетах использовались 2 модели: линейная упругая модель для моделирования работы материала сваи и упругопластическая модель с критерием текучести Кулона -

Мора для основания. По результатам численных исследований были получены графики зависимостей геометрических параметров и данных статического зондирования от отношений дк/дс (см. рисунок 4).

б)

3± 9'

0,30

0,25

0 50 100 150 200 /,,кПа 1 3 5 7 9 10 1, м

Рисунок 4 - Графики зависимостей отношения д1{/дс от удельного сопротивления грунта под конусом зонда дс (а) и от диаметра сваи с/ (б), а также отношения^/^. от удельного сопротивления грунта на боковой поверхности зонда (в) и от длины сваи I (г) при д//= 20

4 д,,МПа

При рассмотрении полученных графиков (см. рисунок 4 а, б) можно отметить, что прослеживается связь отношений дк/дс с двумя параметрами: данными статического зондирования (дс, дД) и диаметром сваи (_сГ). Стоит отметить, что значительные пределы изменения отношения дк/дс происходят при варьировании данных сопротивления грунта под конусом зонда. При варьировании диаметра сваи значительные изменения отношения д,{/дс происходят в пределах ¿/=0,3... 0,4 м. При рассмотрении зависимости отношения дк/дс от индекса трения (дУ/л) можно отметить, что дк/дс изменяется в малых пределах во всем диапазоне изменений индекса трения (д=10. ..50).

Анализируя графики зависимостей (см. рисунок 4 в, г), можно отметить, что, как и для торца, прослеживается связь отношений с двумя параметрами: данными статического зондирования (/¡, дД) и длиной сваи. Как

показали исследования, удельное сопротивление фунта на боковой поверхности практически не изменяется при варьировании диаметра. Из полученных графиков видно, что все три параметра (fs, qjfs и L) оказывают значительное влияние на изменение отношения fR/fs. Если учесть, что в данном случае индекс трения характеризует изменение значений сопротивления грунта под конусом зонда, то можно сделать вывод, что сопротивление фунта на боковой поверхности буронабивной сваи определяется в равной степени двумя параметрами статического зондирования (qc и fs).

Тит

Трас;

1,0

0.8Рисунок 5 - График зависимости от-

ношения тисг/Трасч от удельного сопро-

0,6тивления фунта на муфте трения зонда

fs при qjfs =13...45

0,4

0,2

0 50 100 150 200 /\кПа

Далее была выполнена корректировка полученных зависимостей путем отношения (тиа/трасч) значений эпюры касательных напряжений на боковой поверхности тензосваи (см. рисунок 3), полученных опытным путем к значениям эпюры, посфоенной с использованием полученных зависимостей численным методом. В результате чего были получены зависимости отношений тисг/трасч от данных статического зондирования (см. рисунок 5), которые и были приняты как поправочные коэффициенты для отношений fR/fs. Впоследствии отношения qR/qc и откорректированные значения fR/fs были использованы в качестве переходных коэффициентов (к/ и к2) от данных статического зондирования к удельным сопротивлениям грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай (см. таблицы 1 и 2).

Таблица 1 — Коэффициенты перехода к[ от сопротивления грунта под конусом зонда к удельному сопротивлению грунта под торцом сваи_

Диаметр сваи d,м

qc, кПа 0,3 0,4 0,5 и более

Индекс трения q/f

10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

600 0,35 0,32 0,29 0,27 - 0,33 0,30 0,27 0,26 - 0,32 0,29 0,27 0,25 -

900 0,31 0,29 0,27 0,26 - 0,30 0,27 0,26 0,24 - 0,29 0,27 0,25 0,24 -

1200 0,28 0,27 0,26 0,25 0,25 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,27 0,25 0,24 0,23 0,23

1500 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21

1800 0,25 0,25 0,24 0,23 0,22 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20

2400 0,24 0,24 0,23 0,22 0,20 0,23 0,23 0,21 0,21 0,19 0,22 0,22 0,21 0,20 0,19

3000 - 0,23 0,22 0,21 0,19 - 0,21 0,21 0,20 0,18 - 0,21 0,20 0,19 0,17

4000 - 0,21 0,21 0,20 0,17 - 0,20 0,20 0,19 0,17 - 0,19 0,19 0,18 0,16

7500 0,18 0,18 0,17 0,15 0,17 0,17 0,16 0,14 - 0,17 0,17 0,16 0,13

Таблица 2 - Коэффициенты перехода к2 от сопротивления грунта

на муфте трения зонда к удельному сопротивлению грунта на боковой поверхности сваи___

Длина сваи /,м

/„ кПа 3 6 9

Индекс трения у//

10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

15 0,55 0,54 0,58 0,67 0,83 0,62 0,65 0,72 0,83 1,03 0,72 0,77 0,85 0,97 1,20

30 0,40 0,45 0,52 0,58 0,67 0,47 0,54 0,61 0,70 0,79 0,52 0,60 0,70 0,79 0,89

60 0,29 0,36 0,44 0,49 0,50 0,32 0,41 0,50 0,55 0,58 0,36 0,45 0,55 0,61 0,63

90 0,22 0,30 0,38 0,41 0,41 0,25 0,33 0,42 0,47 0,47 0,27 0,36 0,45 0,50 0,50

120 0,18 0,25 0,32 0,35 - 0,20 0,28 0,36 0,38 - 0,22 0,29 0,38 0,41 -

150 0.14 0,21 0,27 0,29 - 0,16 0,23 0,30 0,32 - 0,17 0,24 0,31 0,34 -

180 0,12 0,18 0,24 0,26 - 0,13 0,20 0,26 0,28 - 0,14 0,21 0,27 0,29 -

210 0,12 0,17 0,24 0,25 - 0,13 0,19 0,26 0,27 - 0,13 0,20 0,26 0,28 -

240 0,11 0,17 0,23 0,25 - 0,12 0,19 0,25 0,26 - 0,13 0,19 0,25 0,27 -

В ходе численных исследований также изучались зависимости величин сдвиговых осадок для буронабивных свай от данных статического зондирования и геометрических параметров сваи. Сваи моделировались без включения в работу торца. В результате были построены графические зависимости величины сдвиговой осадки от площади боковой поверхности буро-набивной сваи при различных значениях индексах трения. Далее значения сравнивались с результатами обработки графиков «нагрузка-осадка» 9 буронабивных свай с последующей корректировкой значений (см. таблицу 3). Как видно из полученных результатов, сдвиговая осадка имеет зависимость от изменения типа глинистого грунта (характеризующегося индексом трения) и от изменения геометрических параметров сваи. Зависимость сдвиговой осадки от типа грунта можно объяснить тем, что процессы, связанные с вязкой ползучестью, проявляются ярче для глинистых фунтов, чем для песчаных, т.е. минимальное значение сдвиговой осадки будет соответствовать пескам, а максимальное - глине, промежуточные значения - суглинкам и супесям.

Таблица 3 - Величина сдвиговой осадки для буронабивной сваи

Индекс трения (ч/Л Сдвиговая осадка /Хл,, мм) при м2

3 10 17 24

10 2,3 3,4 4,5 5,6

20 1,8 2,8 3,8 4,8

30 1,6 2,6 3,6 4,6

40 1,5 2,4 3,3 4,2

50 1,2 2,1 3,0 3,9

В результате выполненных численных исследований были получены коэффициенты перехода {к, и к2) от данных статического зондирования к удельным сопротивлениям грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай, а также зависимости величины сдвиговой осадки буронабивной сваи от изменения геометрических параметров сваи и данных статического зондирования.

В четвертой главе сформулированы основные положения расчетной схемы вертикально нагруженной буронабивной сваи в глинистых грунтах и разработан на этой основе метод расчета таких свай на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования.

При разработке методики расчета приняты следующие предпосылки и допущения, основанные на результатах экспериментальных и численных исследований.

1. Давление под торцом буронабивной сваи распределяется равномерно по всей площади, при этом зона влияния распространяется на расстояние до Ы выше плоскости торца и до 2й ниже (глава 2).

2. Сопротивление грунта под торцом сваи определяется на основании данных статического зондирования с использованием параметров: удельного сопротивления грунта под конусом зонда (дс) и индекса трения (дД) (глава

3).

3. Сопротивление грунта на боковой поверхности сваи определяется на основании данных статического зондирования с использованием параметров: удельного сопротивления грунта на боковой поверхности зонда (/^ и индекса трения (Цс/^ (глава 3).

Расчетная схема вертикально нагруженной буронабивной сваи представлена на рисунке 6.

а)

б)

в)

Рисунок 6 - Расчетная схема вертикально

нагруженной буронабивной сваи (а) и эпюры сопротивления грунта на боковой поверхности: зонда (б), сваи с учетом коэффициента к2 (в)

Согласно принятой расчетной схеме предельное сопротивление одиночной сваи необходимо определять по формуле

р. = У.ЛА + ус:М, (1)

где /- среднее значение предельного сопротивления грунта под нижним торцом и на боковой поверхности сваи по данным статического зондирования в рассматриваемой точке, определяемое по формулам (2 и 3), кПа; А, и- площадь (м2) и периметр поперечного сечения сваи (м); к - глубина погружения сваи от поверхности грунта, м; Ум Ус/ — коэффициенты условия работы грунта под нижним концом и

на боковой поверхности сваи.

Предельное сопротивление грунта под торцом буронабивной сваи Л, (кПа) по данным статического зондирования в рассматриваемой точке определяется по формуле

= (2)

где к1 - коэффициент, принимаемый по таблице 1;

- среднее значение сопротивления грунта (кПа) под конусом зонда, полученное из опыта на участке, расположенном в пределах одного диаметра выше и двух диаметров ниже отметки торца сваи.

Среднее значение предельного сопротивления грунта на боковой поверхности буронабивной сваи/по данным статического зондирования грунта в рассматриваемой точке определяется по формуле

/ = (3)

к

где к2\ - коэффициент, принимаемый по таблице 2 в г'-ом слое грунта;

- среднее сопротивление /-го слоя грунта на боковой поверхности зонда, определяемое по муфте трения, кПа;

/г,-толщина /-го слоя грунта, м;

Расчетная величина несущей способности сваи в точке зондирования определяется с учетом достоверности метода расчета (т,) и однородности грунта (т2)

^ = т^ , (4)

где - предельное сопротивление сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке, определяемое по формуле (1), кН;

тI - коэффициент достоверности метода расчета;

т2 - коэффициент однородности грунта.

Величина коэффициента достоверности расчета т, принимается на основании опыта применения данной методики в конкретных региональных условиях. Коэффициент однородности грунта т2 для заданной площадки определяется по результатам статистической обработки.

Известно, что график зависимости «вертикальная нагрузка-осадка» для буронабивных свай имеет ярко выраженный нелинейный характер. При исследовании графиков «вертикальная нагрузка-осадка» для торца буронабивных свай было определено, что с достаточной точностью их можно описать логарифмической функцией. С учетом этого был разработан метод построения графиков «нагрузка-осадка», исходя из результатов, полученных в ходе исследования с использованием предложенной методики расчета несущей способности буронабивных свай по данным статического зондирования. Данный метод разрабатывался по аналогии с известной методикой Б. И. Дал-матова - Ф. К. Лапшина, где график, по сути, разделяется на два участка - до сдвиговой осадки и после неё, и каждая часть графика описывается линейной или логарифмической функцией. В основе метода построения графика при-

няты следующие предпосылки и допущения.

1. Торец сваи и её боковая поверхность включаются в работу одновременно сразу при приложении нагрузки.

2. График «нагрузка-осадка» для боковой поверхности до момента исчерпания несущей способности по грунту изменяется линейно от нуля до значения сдвиговой осадки, затем приращение осадки происходит без изменения нагрузки.

3. Работа торца от нуля до значения сдвиговой осадки описывается сначала линейной функцией, а после неё логарифмической. Полученный график проходит через точку с координатами предельного сопротивления грунта под торцом сваи и осадки 0,03 с/ (с/ - диаметр сваи).

На основании полученных значений строятся два графика «нагрузка-осадка». Первый из них описывает работу боковой поверхности и состоит из двух прямых линий, где одна начинается из точки начала координат и заканчивается в точке, соответствующей сдвиговой осадке (Бсдв), другая линия, характеризуя «срыв» сваи по боковой поверхности, начинается из точки Бсдв и продолжается вертикально вниз. Второй график «нагрузка-осадка», характеризующий работу торца, от значения сдвиговой осадки описывается логарифмической функцией

Р = а • 1п 5 , (5)

где Р - нагрузка, кН;

5 — осадка, мм;

а - коэффициент, учитывающий кривизну графика, находится по следующей формуле

Я ■А

__I

где Я5 - предельное сопротивление грунта под торцом сваи, определенное по данным статического зондирования в рассматриваемой точке, кПа;

А - площадь поперечного сечения сваи, м2;

Яо.оз — осадка, при которой принимается условное предельное сопротивление грунта под торцом сваи, равное 0,03 диаметра сваи (для свай диаметром 300-600 мм).

В результате получим метод построения графиков «нагрузка-осадка» для торца и боковой поверхности сваи в отдельности. Результирующий график определяем путем сложения значений полученных графиков.

Разработанный метод расчета реализован на ЭВМ и выполнены сопоставления расчетных данных с результатами статических испытаний опытных свай. Расхождение результатов расчетов по данным статического зондирования с натурными испытаниями составляет в среднем -9%.

Пятая глава посвящена рекомендациям по расчету вертикально нагруженных буронабивных свай и практическому внедрению полученных результатов.

С целью автоматизированного расчета несущей способности бурона-бивных свай разработана программа расчета на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования грунтового основания «ВШ-гопс1».

Материалы выполненных исследований были использованы при проектировании фундаментов из буронабивных свай «Цеха лесопиления» на территории ООО «БашЛПК» в Белорецком районе Республики Башкортостан. В результате использование выполненных исследований для^оценки несущей способности основания буронабивных свай в объеме 100 м позволило снизить материалоемкость фундаментов на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза.

Также материалы диссертационных исследований были использованы при проектировании фундаментов опор навесов трибун из буронабивных свай на объекте «Реконструкция стадиона «Нефтяник» в г.Уфе». Использование результатов исследования позволило спрогнозировать несущую способность буронабивных свай, что и было подтверждено результатами статических испытаний натурной сваи. Точность оценки несущей способности буронабивных свай позволила избежать корректировки проектных решений по результатам испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих методов расчета буронабивных свай по данным статического зондирования показал, что в методике по СП 24.13330.2011 не учитываются значения по муфте трения зонда, оказывающего (как показали исследования) существенное влияние на сопротивление грунта на боковой поверхности сваи. Ограничения по длине и диаметру сваи, на которые распространяется методика СП (1>5м, (1=600-1200 мм), также показывают о необходимости дополнительных исследований буронабивных свай длиной до 5 м и диаметром до 0,6 м.

2. По результатам экспериментов установлено, что развитие пластических деформаций на контакте боковой поверхности буронабивных свай и грунта основания зависит не только от его прочностных характеристик, но и от его относительного расположения по длине сваи. Значительные деформации грунта в вертикальном направлении наблюдаются в области торца сваи. При достижении сваей предельного состояния активная зона в области торца распространяется по горизонтали в радиусе одного диаметра от оси сваи и около двух диаметров в глубину ниже плоскости торца.

3. По результатам численных и экспериментальных исследований были получены коэффициенты перехода (к, и к2) от данных статического зондирования к сопротивлению грунта основания буронабивных свай.

4. Получены зависимости величины сдвиговой осадки (Бсдв) буронабивных свай от данных статического зондирования. На сдвиговую осадку оказывают влияние не только вид грунта, но и геометрические параметры

сваи. Полученные значения сдвиговых осадок для буронабивных свай показали значительно меньшие значения (в 2-4 раза), чем для забивных свай, что обусловлено наличием меньшего давления в радиальном направлении.

5. На основании результатов численных и экспериментальных исследований вертикально нагруженных буронабивных свай построена расчетная схема и составлена методика расчета данных свай в глинистых грунтах с использованием данных статического зондирования.

6. С использованием результатов исследования сдвиговых осадок буронабивных свай разработан метод построения графиков «вертикальная нагрузка - осадка» для таких свай по данным статического зондирования.

7. С использованием разработанного метода расчета, также реализованного на ЭВМ, было выполнено сопоставление расчетных данных с опытными. Расхождение результатов расчета по несущей способности буронабивных свай с использованием предложенной методики составляет в среднем 9%. Расхождение результатов, полученных по методике СП 24.13330.2011, составляет в среднем 29%.

8. Результаты выполненных исследований были использованы при проектировании фундаментов из буронабивных свай на следующих объектах: строительство «Цеха лесопиления» на территории ООО «БЛПК» в г. Бело-рецке, РБ и реконструкция стадиона «Нефтянник», в г. Уфе, РБ.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных статьях, 5 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (помечены знаком *):

*1. Глазачев А.О. Экспериментальные исследования вертикально нагруженных маломасштабных буронабивных свай // Вестник МГСУ. - 2014. -№ 4. - С.70-78.

*2. Готман А.Л., Глазачев А.О. Исследование вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтах и их расчет по данным статического зондирования // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2014. -№2.-С.7-11.

*3. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Исследование взаимодействия боковой поверхности буронабивных свай с основанием и их расчет по данным статического зондирования // Промышленное и гражданское строительство. -2011,- Вып. 11.- С.22-24.

*4. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Расчет буронабивных свай в глинистых грунтах по данным статического зондирования // Известия КГ АСУ. -2012. -№3.-С. 80-85.

*5. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Расчет буронабивных свай по данным статического зондирования при малоэтажном жилищном строительстве // Жилищное строительство. - 2012. - № 9. - С. 58-60.

6. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Оценка сопротивления боковой поверхности вертикально нагруженных буронабивных свай и их расчет с использованием статического зондирования // Проблемы оптимального проектирования сооружений. - Доклады 2-ой всесоюзной конференции, 5-6 апреля

2011 г. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011. - С.З 85-3 89.

7. Глазачев А. О., Шеменков Ю.М. Исследование взаимодействия боковой поверхности буронабивных свай с основанием и оценка их расчета по данным статического зондирования // Тр. Ин-та БашНИИстрой. - Вып.78. -Уфа, 2011 - С.31-40.

8. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. К расчету вертикально нагруженных буронабивных свай с использованием статического зондирования // Проблемы строительного комплекса России. - Материалы XV Международной научно-технической конференции. - Том.1: Уфа, УГНТУ, 2011 - С. 2426.

9. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Исследование взаимодействия буронабивных свай с грунтовым основанием и их расчет по данным статического зондирования // Городские агломерации на оползневых территориях. -Материалы Международной конференции по геотехнике, 22-24 сентября 2010 г, Волгоград. - Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. - Волгоград: ВолгГА-СУ, 2010. — С.476-480.

10. Глазачев А.О., Готман А.Л., Шеменков Ю.М. Исследование формирования сопротивления грунта на боковой поверхности буронабивной сваи // Геотехника. Теория и практика. - межвузовский тематический сборник трудов: СПбГАСУ. - СПб., 2013. - С. 90-94.

Объем: 1 п.л. Тираж: 100 экз. Отпечатано в ГУП институт "БашНИИстрой" 450064, г.Уфа, ул. Конституции, 3 тел. +7 (347) 242-53-87

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201460472

Глазачев Антон Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ОСНОВАНИЕМ И ИХ РАСЧЕТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор Готман Альфред Леонидович

Пермь-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ......................... 11

1.1. Существующие конструкции буронабивных свай........ 11

1.2. Использование статического зондирования в строительстве . 20

1.3. Методы расчета несущей способности буронабивных свай

по данным статического зондирования................... 25

1.4. Выводы и постановка основных задач исследований........ 36

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННОЙ БУРОНАБИВНОЙ СВАИ С ОСНОВАНИЕМ.................................. 39

2.1. Анализ ранее выполненных исследований.............. 39

2.2. Экспериментальные исследования вертикально нагруженных маломасштабных буронабивных свай................ 46

2.2.1. Методика выполнения экспериментальных исследований маломасштабных буронабивных свай....... 47

2.2.2. Анализ результатов экспериментального исследования маломасштабных буронабивных свай......... 51

2.3. Экспериментальные исследования вертикально нагруженной буронабивной тензосваи................................................59

2.3.1. Методика проведения исследования буронабивной тензосваи..................................... 60

2.3.2. Анализ результатов экспериментального исследования буронабивной тензосваи..................... 64

2.4. Технико-экономический анализ на примере сравнения результатов испытания забивных и буронабивных свай....... 70

Выводы по главе 2......................................... 73

3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ОСНОВАНИЕМ ..............................................................................75

ЗЛ. Результаты численного моделирования опытной тензосваи с

оценкой НДС системы «вертикально нагруженная бурона-бивная свая - основание»......................................................78

3.2. Исследование влияния геометрических параметров бурона-бивной сваи и данных статического зондирования на формирование сопротивления грунта под торцом и на боковой

поверхности............................................................................84

3.2.1. Планирование и выполнение численных исследований........................................ 84

3.2.2 Определение переходных коэффициентов от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай в глинистых грунтах..................... 93

3.3. Исследование зависимости сдвиговой осадки от данных статического зондирования и геометрических параметров сваи. 100

Выводы по главе 3 ........................................ 111

4. РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ......... 113

4.1. Расчетная схема и метод расчета........................ 113

4.2. Построение графика «нагрузка-осадка» вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования....................................................................................116

4.3. Оценка достоверности значений сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай, полу-

ченных по предложенной методике.................... 120

4.4. Оценка достоверности несущей способности буронабивных свай по грунту, определенной по предлагаемой методике

при сравнении с результатами натурных испытаний........ 122

4.5. Сопоставление результатов расчета буронабивных свай по предложенной методике и СП 24.13330.2011 с натурными испытаниями...................................... 124

Выводы по главе 4........................................ 125

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ................................................. 126

5.1. Рекомендации по расчету вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтах с использованием статического зондирования............................. 126

5.2. Внедрение результатов исследований в практику строительства ......................................................................................127

Выводы по главе 5........................................ 135

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................ 136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 138

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Данные зондирования опытных площадок................ 154

2. Графики зависимостей, полученные по результатам численных исследований................................... 157

3. Обработка графиков «нагрузка-осадка» по результатам испытания опытных буронабивных свай.................... 168

4. Графики «нагрузка-осадка» для буронабивных свай, построенные с использованием предложенной методики.......... 178

5. Акты внедрения результатов выполненной научно-исследовательской работы ............................. 185

6. Пример расчета вертикально нагруженной буронабивной сваи на ЭВМ....................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На сегодняшний день в области жилищного строительства основной объем составляют многоэтажные дома. Но с каждым годом заметно увеличивается доля малоэтажного строительства. Это увеличение происходит как в связи с более доступной стоимостью квадратного метра, так и с развитием разного рода социальных программ по доступному жилью. Низкая стоимость такого жилья требует мероприятий по минимизации затрат на всех этапах проектирования и строительства.

В качестве фундаментов при строительстве на площадках, сложенных глинистыми грунтами, высокой популярностью обладают буронабивные сваи с монолитным железобетонным ростверком.

На этапе проектирования таких фундаментов обычно используются данные инженерно-геологических изысканий с бурением скважин по укрупненным сеткам, что приводит к снижению достоверности при расчетах по несущей способности. Бурение скважин в «пятне» каждого здания связано со значительным удорожанием для конечного потребителя. В связи с этим существует необходимость использования более дешевых методов инженерных изысканий с достаточно высоким уровнем достоверности. Одним из таких методов можно отметить статическое зондирование грунтов.

Статическое зондирование достаточно успешно применяется при расчете забивных свай, чего нельзя сказать о буронабивных. Анализ существующих методик расчета с использованием данных статического зондирования показал, что предлагаемые строительными нормами методы расчета не вполне отражают действительного характера работы буронабивных свай с грунтом основания. В ныне действующих нормах, таких как СП 24.13330.2011 [89], представлены таблицы для расчета буронабивных свай с использованием значений только лобового сопротивления зонда. При этом действие данной методики распространяется

только на сваи длиной свыше 5 м и диаметром 600-1200 мм. Предлагаемые методы расчета, как правило, дают существенные занижения по несущей способности, тем самым приводят к необоснованным запасам, и как следствие, большим финансовым затратам.

Поэтому исследование закономерностей и особенностей совместной работы буронабивных свай и грунтов основания, а также разработка метода расчета несущей способности вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтах с использованием данных статического зондирования являются актуальными.

Объект исследования - вертикально нагруженные буронабивные сваи небольшого диаметра (300-600 мм), постоянного по длине сечения, устроенные в глинистых грунтах без крепления стенок скважины на глубину (до 10-12 м), при которой возможно использование результатов наиболее распространенных зондирующих установок.

Предмет исследования - экспериментальное и численное исследование напряженно-деформированного состояния системы «вертикально нагруженная буронабивная свая - основание».

Цель работы заключается в разработке методики расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования с учетом характера взаимодействия с грунтом основания.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- с помощью экспериментальных и численных исследований изучить особенности формирования НДС системы «вертикально нагруженная буронабивная свая - основание»;

- выполнить оценку влияния параметров статического зондирования (Чс> .Л) на сопротивление грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивной сваи;

- получить систему коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта основания буронабивных свай, построить расчетную схему и разработать методику расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку;

- разработать методику построения кривых «нагрузка-осадка» по результатам определения несущей способности буронабивных свай с использованием данных статического зондирования;

- сопоставить результаты расчета по предложенной методике с существующими расчетными методами и выполнить оценку сходимости и достоверности полученных значений.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Получены коэффициенты перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай с учетом влияния обоих параметров статического зондирования (дс,

2. Построена расчетная схема с учетом характера взаимодействия грунта с боковой поверхностью буронабивной сваи и разработана методика расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования.

3. Выявлены зависимости величин сдвиговых осадок для буронабивных свай от данных статического зондирования, с использованием которых была разработана методика построения кривых «вертикальная нагрузка-осадка» для данных свай по результатам определения их несущей способности по грунту.

Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментальных исследований с применением современного электронного оборудования и тензометрической аппаратуры, использованием общепринятых положений механики грунтов и фундаментостроения.

Практическая значимость и реализация работы.

Практическая значимость состоит в разработке метода расчета несущей способности буронабивных свай в глинистых грунтах по данным статического зондирования с возможностью его использования на практике при проектировании фундаментов из буронабивных свай.

Результаты исследований внедрены при проектировании фундаментов из буронабивных свай на объекте «Цех лесопиления в г. Белорецке, Республики Башкортостан», что позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 65 тысяч рублей в базовых ценах 2001 г.

Результаты выполненных исследований были использованы при вариантном проектировании фундаментов опор навесов трибун при реконструкции стадиона «Нефтяник» в г. Уфе Республики Башкортостан. Применение данного исследования позволило спрогнозировать несущую способность буронабивных свай, что и было подтверждено результатами статических испытаний натурной сваи.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 22-24 сентября 2010 г.); XV юбилейной Международной научно — технической конференции, при XV специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2011» (г. Уфа, Республика Башкортостан, 9-11 марта 2011 г.); II Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, 5-6 апреля 2011 г.); Всероссийской конференции научных работников, молодых ученых и специалистов «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013 г.); научно-технической конференции с международным участием

«Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике» (Липецк, 27-29 октября 2013 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в анализе существующих результатов исследований и методик расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования, а также постановке основных задач исследований;

в проведении численных исследований с обработкой и систематизацией полученных результатов, включающих выявление и построение графических зависимостей, а также их анализ;

- в определении коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивной сваи;

- в разработке методики расчета несущей способности буронабивных свай по грунту, а также методики построения кривых «вертикальная нагрузка - осадка» по данным статического зондирования;

- в проведении сравнительного анализа и сопоставительного расчета с использованием предлагаемой методики и результатов натурных испытаний свай.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований научному руководителю, доктору технических наук, профессору Альфреду Леонидовичу Готману, а также заведующему отделом строительных конструкций ГУП института «БашНИИстрой» доктору технических наук Юрию Михайловичу Шеменкову.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных и численных исследований вертикально нагруженных буронабивных свай, методика расчёта их несущей способности по грунту и методика построения кривых

«вертикальная нагрузка - осадка» по данным статического зондирования в глинистых грунтах.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 5 изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 6 приложений. Диссертационная работа содержит 153 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 34 таблицы, список литературы из 140 наименований, в т.ч. 21 на иностранном языке.

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ

БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

В настоящее время в России доля буронабивных свай составляет около 10% от общего объема применения свайных фундаментов, что не соответствует потребностям строительной индустрии.

За рубежом, в таких странах, как США, Англия, Япония, Германия, Франция и др., доля буронабивных свай значительно выше. В 2004 году вице-президент МОМГГиФ по Европе Ван Импе представил следующую статистику использования разного вида свай в Европе:

*

- буронабивные сваи занимают 52% рынка;

- забивные сваи - 42%;

- винтовые сваи - 6%.

В связи с возрастающими объемами малоэтажного строительства, а также в связи с застройкой малоудобных естественных строительных площадок и территорий с существующими зданиями и сооружениями, не допускающими динамических воздействий, наблюдаются тенденции к увеличению объема применения буронабивных свай.

ч

1.1 Существующие конструкции буронабивных свай

Согласно СП 24.13330.2011 [89] буронабивные сваи являются разновидностью более широкого семейства буровых свай и разделяются на пять видов:

- буронабивные сплошного сечения с уширениями и без них, бетонируемые в скважинах, пробуренных в глинистых грунтах выше уровня поди земных вод без крепления стенок скважин, а в любых грунтах ниже уровня

подземных вод - с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами;

- буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;

- буронабивные с уплотненным забоем, устраиваемым путем втрамбовывания в забой скважины щебня;

- буронабивные с применением технологии непрерывного полого шнека;

- буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом (в том числе электрохимическим) и заполнением скважин бетонной смесью.

В общем виде буронабивные сваи можно классифицировать согласно следующей блок-схеме (см. рисунок 1.1).

Буранайийные сЬаи

Рисунок 1.1— Классификация буронабивных свай

Конструктивные особенности буронабивных свай определяются технологическими признаками: способом их устройства, возможностями применяемого оборудования и принятой технологией изготовления. Характерной особенностью технологии устройства буронабивных свай является предвари-

тельное бурение скважины до заданной отметки и последующее формирование ствола сваи.

Исходя из возможностей имеющегося бурового оборудования, а также грунтовых усло