автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Моделирование совместной работы винтовых свай с нелинейно-деформируемым грунтовым основанием

На правах рукогГиси

005019360

АКОПЯН Владимир Феликсович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВИНТОВЫХ СВАЙ С НЕЛИНЕЙНО-ДЕФОРМИРУЕМЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

05.23.17 - Строительная механика 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ДПР ¿012

Ростов-на-Дону 2012

005019360

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Панасюк Леонид Николаевич

кандидат технических наук, доцент Четвериков Алексей Львович

Официальные оппоненты:

Ананьев Игорь Всеволодович, доктор технических наук, профессор, каф. ПМиВТ РГСУ

Дыба Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, каф. ПГСГиФ ЮРГТУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новочеркасская

государственная мелиоративная академия», НГМА

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 09:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд.232, тел/факс 8(863)227-73-78; 227-75-68; E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru

Автореферат разослан «16» апреля 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ZLa__

канд. техн. наук, доцент * A.B. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблема оптимального проектирования и возведения свайных фундаментов существует при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых свайные фундаменты экономически выгодны по сравнению с фундаментами на естественном основании и, нередко, это единственно возможный тип фундаментов. Строительство в условиях плотной городской застройки требует сохранности зданий, прилегающих к возводимому. Этими условиями ограничена возможность применения забивных, набивных, образуемых с пробивкой скважин, вибровдавливаемых свай.

Совместный расчет надземных конструкций и свайного фундамента в используемых программных комплексах выполняют упрощенно. Сваи представляют в виде конечных элементов, типа «пружина», с ограниченной жесткостью. Это позволяет рассматривать перераспределение напряжений в конструкциях при выключении из работы отдельных свай при достижении нагрузкой предельного значения несущей способности сваи. Но жесткость самой «пружины» определяют приближенно согласно нормативной методике. Возможности современных компьютеров и программных комплексов позволяют выполнить уточненный, по сравнению с методом СНиП 2.02.03-85*, СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», расчет сваи в грунте. Наиболее корректно в таких расчетах описывают работу буронабивных свай, так как при их изготовлении сохраняют природные характеристики околосвайного грунта.

Однако расчет свай, при устройстве которых происходит уплотнение околосвайного грунта, производят, в основном, согласно вышеуказанным нормативным документам. Влияние напряженно-деформируемого состояния грунта вокруг сваи на ее несущую способность учитывают путем введения коэффициента условий работы сваи. Следовательно, существующими инженерными методами расчета не учтено влияние нелинейных деформаций грунта на несущую способность свай.

Довольно сложно учесть влияние напряжений от свайного фундамента во время его монтажа и эксплуатации на существующие объекты. Для этого необ-

ходимо получить четкую картину распространения локальных напряжений в околосвайной зоне, так как, даже плавно нарастающие контактные напряжения могут привести к разрушению близлежащих фундаментов.

Изложенное обусловливает актуальность и важность направления исследования возможности применения современной информационной и материальной научно-технической базы для повышения достоверности инженерных расчетов винтовых свай.

Объект исследования: винтовая висячая свая АКСИС во взаимодействии с нелинейно-деформируемым грунтовым основанием.

Предмет исследования: оценка влияния уплотнения околосвайного грунта профилем винта на несущую способность новых видов винтовых свай АКСИС.

Цель исследования. Разработать научно-обоснованные методы расчета несущей способности по грунту разработанных и запатентованных автором винтовых свай АКСИС с учетом физически нелинейных моделей грунта и его уплотнения в околосвайной зоне на основе математического аппарата метода конечных элементов. На основе уточненного моделирования сформулировать упрощающие гипотезы и разработать методику инженерных расчетов.

Задачи исследования:

1. Проанализировать современные методы расчета фундаментов из винтовых свай.

2. Провести численные исследования напряженно-деформированного состояния грунта в околосвайной зоне при монтаже и эксплуатации свай.

3. Разработать аналитические и численные методики расчета несущей способности по грунту винтовых свай АКСИС.

4. Провести экспериментальное подтверждение разработанных численных аналитических методов расчета несущей способности по грунту винтовых свай АКСИС.

5. Оценить эффективность использования винтовых свай АКСИС.

Научная новизна

1. По специальности 05.23.17 «Строительная механика»:

1.1. Проведено численное моделирование процесса устройства винтовой сваи АКСИС при предварительном внедрении боковой поверхности сваи в грунт, представленный упругопластической средой с критерием прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина.

1.2. Осуществлено моделирование процесса нагружения винтовой сваи АКСИС эксплуатационными нагрузками.

2. По специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные

сооружения»:

2.1.Обоснована возможность расчета винтовой сваи АКСИС, как набивной сваи, с введением корреляционного коэффициента, учитывающего работу околосвайного грунта и форму боковой поверхности.

2.2.Проведена оптимизация типоразмеров винтовых свай АКСИС.

2.3.Эксперименталыю и теоретически обоснована эффективность винтовых свай АКСИС.

2.4.Разработаны и запатентованы винтовые сваи АКСИС, обладающие повышенной несущей способностью по грунту.

Для решения поставленных задач применены следующие методы исследований:

- математического планирования эксперимента;

- математического моделирования и оптимизации;

- численные;

- экспериментальные.

Исследования проведены с применением программных комплексов «ПОЛЮС», «Фундамент 13.2», модели свай для плоской задачи и объемных.

Достоверность полученных результатов подтверждают:

1. Использование, в качестве научной основы, глубоко изученных и применяемых на практике, многократно подтвержденных экспериментально, уравнений механики грунтов, теорий упругости и пластичности.

2. Применение в исследованиях лицензионных сертифицированных программных комплексов и поверенного лабораторного оборудования.

3. Подтверждение принятых механико-математических моделей.

4. Значительное количество выполненных численных исследований и лабораторных экспериментов.

5. Совпадение, с достаточной для инженерных целей точностью, полученных результатов численных и экспериментальных исследований винтовых свай.

Практическая значимость работы. Создание новой конструкции и технологии изготовления винтовых свай АКСИС, позволяющей увеличить до двух раз несущую способность по грунту в сравнении с набивными сваями аналогичного диаметра.

Положения, выносимые на защиту

1. Результат численного моделирования процесса устройства и нагру-жения винтовой сваи АКСИС.

2. Конструкция монолитной, сборной, сборно-монолитной видов винтовых свай АКСИС.

3. Расчет несущей способности по грунту винтовых свай АКСИС.

4. Технология устройства монолитного, сборного, сборно-монолитного видов винтовых свай АКСИС.

Апробация работы. Результаты исследования доложены на: четырех Международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.), конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург, 2010 г.), «Молодежном инновационном конвенте» (Ростов-на-Дону, 2011г.), научном семинаре Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасск, 2012 г.), «Седьмом

всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РГУИТП» (Москва, 2012 г.).

Результаты исследований внедрены в лекционном и практическом курсе, в дипломном проектировании, в научно-исследовательских работах студентов, магистров и аспирантов кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» Ростовского государственного строительного университета.

Публикации. Результаты исследования изложены в 14 публикациях: 5 в изданиях ВАК РФ, 3 патента на полезные модели, б статей в других изданиях.

Автор выражает признательность за помощь при выполнении исследований д-ру техн. наук, проф. O.E. Приходченко, канд. техн. наук, проф. В.В. Логутину, канд. техн. наук, доц. А.И. Семененко, канд. техн. наук, доц.

A.B. Чмшкяну, канд. геол.- минерал, наук., доц. A.B. Гридневскому. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 133 страницах машинописного текста и содержит 66 рисунков, 12 таблиц, 4 приложения. Список использованной литературы содержит 129 наименований, в том числе 8 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность разработки новых фундаментов из винтовых свай, обозначены цель исследований, научная новизна, практическая значимость и характеристика работы.

В первой главе дан краткий обзор основных типов свайных фундаментов и классификация свай. Рассмотрены методы расчета и устройства свайных фундаментов, в том числе из винтовых свай.

Большой вклад в развитие теории механики грунтов и фундаментостро-ения внесли И.В. Ананьев, A.A. Бартоломей, А.Н. Богомолов, С.С. Вялов, Я.Д. Гильман, Б.И. Далматов, Б.И. Дидух, В.П. Дыба, Ю.К. Зарецкий,

B.А. Ильичев, A.A. Луга, P.A. Мангушев, Ю.Н. Мурзенко, Л.Н. Панасюк,

Г.М. Скибин, Е.А. Сорочан, С.П. Тимошенко, В.М. Улицкий, С.Б. Ухов, H.A. Цытович, А. Г. Шашкин, К.Г. Шашкин и др.

Исследования взаимодействия различных видов свай и околосвайного грунта отражены в работах В.И. Феклина, В.А. Смирнова, A.B. Сбитнева, Б.И. Дидуха, JI.H. Панасюка, В.П. Дыбы. В частности, исследования, посвященные винтовым сваям, представлены в трудах Л.И. Качановской, В.И. Клевеко, B.C. Щербакова, P.M. Хафизова. Родоначальником ввинчиваемых свай считают инженера А. Митчела (1833 г.).

Известно более 250 разновидностей свай, отличных друг от друга конструктивно, способом монтажа, применяемыми материалами, способом взаимодействия с основанием. Но, методы устройства свай в «щадящем» для окружающих зданий режиме, и обладающих повышенной несущей способностью, изучены недостаточно.

Эти проблемы послужили автору предпосылкой для разработки винтовых свай, обладающих повышенной несущей способностью по грунту.

В результате анализа литературных данных, была сформулирована рабочая гипотеза: применение винтовых свай способствует увеличению несущей способности фундамента за счет уплотнения околосвайного фунта и работы винта.

Во второй главе реализован численный метод расчета деформирования околосвайного грунта с учетом его нелинейной зависимости. Моделирование поведения грунта основано на исследованиях И.В. Ананьева по изучению уплотнения грунта с использованием итерационного процесса раскрытия физической нелинейности A.A. Ильюшина. При этом, коэффициенты упругости рассматривают как функции средней деформации и интенсивности деформирования:

К= К(е0, Ei), G=G(e0, sj, oo=3KSo, о,=.Юеь (1)

где е0 = i(£х + еу + £z); ст0 = i (стх + Oy + ffz);

£; = fj(£* - £уУ + -£z)2 + Oy -<*)*+§ Oiy + Yiz + Yyz)-. (2)

Итерационные уравнения краевой задачи записаны в виде: Аг Г>0,0Ан„+1 =-р + АГ(0О-О - £>0 ,„) Аи„, є У ЛА.0^4,+1 = + ^(£>о,о ~О0л)Аип, є (4)

ип+і

■и8=0, Є 52

или в приращениях:

лТ

(5)

А £>0і0АДм„+1 =-р-А £>0,„Аи„, є У а;'Ц1(1АЛк„+1 = г, - Ат5О0 пАип, є 5, Дип+і=0.

Вариационная форма, необходимая для построения решения методом конечных элементов, представлена в виде:

|(Ади)тйцАисІУ + |(А<5м)г(Ц, -О0„)Аия<іУ -

(v) (v)

- =0. (6)

(v) )

В формулах (5) и (6) индексами л и п+1 обозначен шаг итерационного процесса.

Конкретизация физических зависимостей основана на дробно-линейном законе С.П. Тимошенко:

т/=-——У і ' т

котораый при использовании критерия Мизеса-Шлейхера-Боткина в формулировке С.С. Вялова окончательно записана в виде:

. . 3 К0£„ (8)

бет <р

. ч 3 - Бт <р

(+- 1Я<

Ч<Р

(оЬ+—))

Разрешающие уравнения МКЭ, согласно методу упругих решений, записаны в виде:

Данный алгоритм внесен, в виде программных модулей, в конечно-элементный комплекс «ПОЛЮС». Рассмотрено уточнение решения (10) с использованием метода продолжения по параметру нагружения. Итерационный процесс может иметь плохую сходимость в том случае, когда рассматриваемое значение нагрузки приводит к существенно нелинейной работе грунта вокруг сваи. Такая нелинейность возникает при приближении нагрузки к предельным значениям, при которых происходит срыв сваи. Для уточнения решения и улучшения сходимости дополнительно в ПК «ПОЛЮС» введен циклический процесс при возрастающей внешней нагрузке на сваю. Нагрузку разбиваем на ряд интервалов и используем метод А.А.Илюшина в пределах каждого интервала. Параметры грунтового массива в начале итерационного процесса при новом шаге по нагрузке вычисляем с учетом определенного на предыдущем уровне НДС.

Процесс решения организован по принципу «цикл в цикле». Внешний цикл организует итерации по возрастающей на сваю нагрузке, а внутренний цикл итерационно уточняет решение для текущего значения нагрузки.

Ко ■Яп+1 + КСп-Чп = Р

(Ю)

(v)

Кс,= ¡АТФЯАМ,

(v)

Затем рассмотрена методика определения предельной нагрузки на сваю. В качестве условий предельного состояния фрагмента среды рассмотрены различные критерии: - критерий Мора (растяжение - сжатие):

стх--ст3 = аь;

■ критерий Мора (растяжение - сдвиг):

(11)

_ Рь-ТЬ - _ „ .

ах---—с3 = сть; (12)

- критерий Писаренко - Лебедева:

_ , СГсж-СТь _ „ . — аг Ч----ах = сть; (13)

«еж ^ок

- критерий Гениева (для бетонов):

Ь £ |[а„оь-(а„- оь)!^!- (1 ■- [г-~ (14)

- критерий Баландина (скальные породы и каменные материалы):

Ь ^ дЬсж^Ь- (сГсж- СТьЖ]; (15)

- критерий Мизеса - Шлейхера - Боткина (для грунтов):

б8ІП(у) Г С 1 (1б)

3 - 5ІП(а) I а° + 1ап(ю)]'

где ¡2, - инварианты тензора напряжений; а; - интенсивность напряжений; стс - среднее напряжение; аь, аак, хь - предельные значения растягивающих, сжимающих и касательных напряжений соответственно; С - сцепление; <р - угол внутреннего трения.

Учтено различие в моделировании поведения некоторых сред после наступления предельного состояния при сжатии и растяжении. Получены изолинии вертикальных перемещений, в расчетной области тестовых задач, для одиночной сваи с кольцевым ростверком, при увеличении нагрузки (рис. 1). Там же показаны зоны предельного равновесия по гипотезе Мизеса -Шлейхера -Боткина и их развитие при росте нагрузки.

шм

б _в

ШШ^ШВШВ—

«аз®

■ВЗЙВ

ша

ЩшШа

Я

II те

газ®

I

езен

внвшанбш

щ

I щ щ

55133Я1

I"

н

V

ящщ

(Ш- ;

г

а53Е® ■нв

аяйи

Ш: ¡063231

вйяМЙШШ; щшзрнй!

1

I 1 ж 1

Рис. 1. Изолинии перемещения грунта при нагрузках на сваю: а - Р=200 кН; б - Р=300 кН; в - Р=350 кН; г - Р=400 кН

В третьей главе выполнены аналитические исследования влияния на несущую способность винтовых свай АКСИС характеристик профиля и шага винта.

Согласно СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», для набивных и буровых свай отношение значений расчетных сопротивлений под нижним концом (и под нижней гранью резьбы) К и расчетных сопротивлений на боковой поверхности ствола/, при изменении показателя текучести от 0,2 до 0,6 и глубины погружения от 3 до 20 м, изменяется от 13,5 до 52,5 раз.

За основные виды профиля поперечного сечения винта приняты треугольник, трапеция, прямоугольник и полукруг. Получены аналитические зависимости несущей способности по грунту винтовых свай, для расчетных схем (рис. 2) в виде:

(17)

И „ , ( к, ,) _ „ (я-sm.ee-к.. ^ВЛ

3

о

а

а

б

о

а

I (

4тгп 41 - □

ф .| (|

а

/

R

Рис. 2. Расчетная схема в виде участка винтовой сваи конечной длинны с треугольным профилем поперечного сечения винта: а - схема работы вин-

где 11 - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи и нижней гранью винта, кПа; / - расчетные сопротивления грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; Ь - длина рассматриваемого участка сваи, м; Б - диаметр сваи, м; а - высота винта, м; Ь - ширина основания винта, м; а - угол подъема винта, град; (3 - угол профиля винта, град.; / - длина стороны поперечного сечения профиля винта, воспринимающая Я грунта

В четвертой главе приведены результаты лотковых испытаний моделей винтовых свай, выполненных с целью изучения качественной картины происходящей в грунте вокруг сваи.

Эксперимент в лотке позволил получить общую картину деформации околосвайного грунта в процессе погружения сваи и её загружения эксплуатационными нагрузками. Испытаны модели винтовых сваи в масштабах 1:5, 1:4, 1:3 и 1:2. Были использованы общепринятые основы теории моделирования. Модели свай изготовлены из эпоксидной смолы ЭДТ-10, цементно-песчаного раствора с продольным и поперечным армированием и стали (рис. 3). В качестве грунта применен песок фракцией 0,14...0,25 мм, с коэффициентом пористости 0,73, удельным весом 17,2 кН/м3. Вертикальные перемещения свай фиксировались индикаторами часового типа. Вертикальное усилие определялось динамометром ДОСМ -3-1.

товой сваи, б - разрез ввинчиваемой сваи;

Рис. 3. Модели свай из: а - цементно-песчаного раствора с продольным и поперечным армированием; б - из эпоксидной смолы ЭДТ-10; в - из стали.

Процесс испытания винтовой сваи в лотке включает два этапа.

1. «Монтаж сваи» - на сваю одновременно передают два усилия: крутящий момент и вертикальную силу. Вертикальную силу подают в размере необходимом для погружения сваи ровно на один шаг винта за один оборот.

2. Загружение «эксплуатационной нагрузкой» - на сваю передают только вертикальное усилие, имитирующее эксплуатационную нагрузку.

В результате испытаний получены зависимости перемещений моделей свай АКСИС от вертикальной нагрузки (рис. 4).

Вертикальные нагрузки Р, Н

О

— стбо/1 0^Омм

— ствол 050мм

— ствол 060мм

---- ствол 070мм

- - — ствол 080мм

Рис. 4. - Графики зависимости перемещений моделей свай АКСИС от вертикальной нагрузки

В пятой главе в программном комплексе «ПОЛЮС» решена задача определения расчетной несущей способности по грунту винтовой сваи АКСИС в зависимости от изменения ее геометрических параметров. В результате численных исследований получены изолинии нормальных вертикальных напряжений в грунте при загружении модели сваи, графики зависимости «нагрузка - вертикальное перемещение» винтовых свай, графики сравнения винтовых и цилиндрических свай (рис. 5,6,7).

Для определения факторов, максимально влияющих на эксплуатационные характеристики винтовых свай, в качестве независимых изменяемых факторов приняты: диаметр сваи Х|=200, 300, 400 мм, шаг винта треугольного поперечного сечения Х2=200, 300, 400 мм, геометрическая высота треугольника, лежащего в поперечном сечении выступа винта 50, 75,100 мм.

а

б

в

Рис. 5. Изолинии нормальных вертикальных напряжений в грунте при загружении модели сваи АКСИС (40x300мм) нагрузками, соответственно: а -Р=0,40 кН; б - Р= 0,70 кН; в - Р= 1,0 кН

Вертикальные нагрузки, Н

т - стбол 01>Омм---ствол ФТОмм

- стбол 050мм --- стбол 080мм

--- стбол 060мм

Рис. 6. Графики зависимости «нагрузка - вертикальное перемещение» при сравнительном численном эксперименте (красные) с натурными экспериментами (черные) моделей свай АКСИС

Рис. 7. Сравнение графиков зависимости вертикального перемещения свай

При проведении исследований использован трехфакторный некомпозиционный план Бокса-Бенкина второго порядка типа ВВ-3 с трехкратным дублированием опытов в центральной точке при числе опытов по плану №15. Получен геометрический образ поверхности изучаемой функции отклика (рис. 8).

Шаг речьбы, мм

Рис. 8. Геометрический образ функции отклика Nn=/[A; L) при диаметре ствола сваи равном 300 мм (const Xi=0)

Получен график отношения предельных вертикальных нагрузок и соответствующих им вертикальных перемещений винтовых и цилиндрических свай.

«Седловидный» график показывает, что для достижения одинаковых вертикальных перемещений, при прочих равных условиях к винтовой свае необходимо приложить усилие в 1,98 - 2,21 раза большее, чем к цилиндрической свае такого же диаметра ствола (рис. 9).

Рис. 9. «Седловидный» график изменения отношения вертикальных усилий

Для определение несущей способности по грунту винтовой сваи АКСИС возможно использовать формулу (11) СНиП 2.02.03-85 с введением поправочного коэффициента, равного двум:

( " Л

Р«=2+ . (18)

V ¡=1

В шестой главе разработана технология изготовления винтовых свай АКСИС в монолитном, сборном и сборно-монолитном видах.

В монолитном виде используют скважинообразоватсль, который состоит из наконечника, рабочей части и хвостовика, к которому прикрепляют полый вал. Рабочая часть выполнена из полого металлического ствола, на котором устроен винт. К нижнему торцу рабочей части крепят отбрасываемый стальной наконечник, а верхнему - хвостовик. Скважинообразователь погружают в грунт до проектной отметки под действием вращательной нагрузки и вертикальной силы. Затем по полому валу подают бетонную смесь, которая заполняет образованную скважину по мере извлечения скважинообразователя

(рис. 10, а). Возможно устройство инъекционной разновидности монолитных свай при подаче в образованную скважину бетонной смеси под давлением достаточным для разрушения структуры грунта в местах концентрации напряже-

Рис. 10. Монолитный вид сваи АКСИС: а - изготовление; б - инъекционная разновидность

Сборный вид свай АКСИС изготавливают в заводских условиях и погружают на строительной площадке бурильной установкой, оснащенной специальным устройством, передающим крутящий момент и вертикальную силу на сваю. Сваю ввинчивают до проектной отметки (рис. 11, а).

Сборно-монолитный вид винтовых свай АКСИС разработан для структурно-неустойчивых грунтов. Скважинообразователь изготавливают на заводе из железобетона. На строительной площадке скважинообразователь ввинчивают в грунт до проектной отметки буровой установкой с помощью

полого вала и с применением обсадной трубы. Затем через полый вал подают бетонную смесь, которая заполняет обсадную трубу по мере извлечения вала (рис. 11 б, в)

Рис. 11. Сборный и сборно-монолитный виды сваи АКСИС: а -монтаж сборного вида; б - разрез скважинообразователя с хвостовиком; в - готовая свая в структурно-неустойчивом грунте, где 1 - сваеобразователь, 2 - резьба, 3 - обсадная труба, 4 - стальной вал, 5 - полость в стальном валу, 6 - замок крепления

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан численный метод определения предельной нагрузки на винтовые сваи с учетом особенностей передачи усилий от сваи на грунт с использованием метода конечных элементов в сочетании с методом продолжения по параметру нагружения.

2. В разработанном методе реализовано предварительное обжатие грунта при ввинчивании сваи.

3. Модернизирован алгоритм расчета для автоматизации выбора приращения шага нагружения сваи до образования в грунте новой

зоны предельного состояния с учетом его физической и геометрической нелинейности.

4. В рамках предлагаемого метода расчета несущей способности сваи по грунту реализованы различные известные гипотезы прочности грунта и выполнены численные эксперименты.

5. Выполнена серия модельных экспериментов для подтверждения результатов численных исследований.

6. Сопоставление результатов численных и лотковых испытаний позволило подтвердить возможность использования критерия Мизеса-Шлейхера-Боткина при расчете несущей способности сваи с учетом предварительного обжатия грунта.

7. Обосновано экспериментально и теоретически применение винтовых свай в качестве фундаментов повышенной несущей способности в разработанной автором конструкции.

8. Систематизация результатов численного анализа позволила выявить закономерности изменения несущей способности винтовой сваи по грунту от геометрических характеристик сваи.

9. Предложена методика расчета несущей способности винтовой сваи путем введения корреляционного коэффициента равного двум в общепринятую для набивных свай формулу (11) СНиП 2.02.03-85.

10. Разработаны технологии изготовления монолитных, сборных и сборно-монолитных винтовых свай АКСИС.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Акопян В.Ф. Новые виды свай /Панасюк Л.Н., Акопян А.Ф., Хо Чантха// Инженерный Вестник Дона [Электронный ресурс]. 2011 №2. Режим доступа: http://ivdon.ru.

2. Акопян В.Ф. Итерационные методы определения предельных нагрузок на фундаменты свайных типов на примере усиления здания в г. Белово Кемеровской области с учетом материалов мониторинга технического состояния. / Хо Чантха// Глобальный научный потенциал.- Санкт-Петербург. 2012. №1.

3. Акопян В.Ф. Испытания моделей винтовых свай. Инженерный Вестник Дона [Электронный ресурс]., 2012. № 1, Режим доступа: http://ivdon.ru.

4. Акопян В.Ф. Экспериментально-теоретическое обоснование возможности использования ввинчиваемых свай в качестве армоэлементов/ Четвериков А.Л., Конопацкий С.А.// Перспективы науки. 2012. №2,.

5. Акопян В.Ф. Численная оценка НДС конструкции по результатам геодезических наблюдений за деформациями здания / Хо Чантха, Зотова Е.В., Гусаренко С.П. // «Вестник ТГАСУ». 2012. № 1

6. Патент на полезную модель № 98430 U1 от 20.10.2010; Винтовая свая

7. Патент на полезную модель № 100096 U1 от 10.12.2010; Устройство для изготовления монолитной бетонной сваи.

8. Патент на полезную модель № 102631 U1 от 10.03.2011; Винтовая свая

- в других изданиях:

9. Акопян В.Ф. Сравнительный анализ результатов расчетов по схеме линейно-деформируемого слоя и модели Кулона-Мора в реализации МКЭ/ Приходченко O.E., Четвериков А.Л. // Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство - 2009». Ростов н/Д: Рост. гос. строит., ун-т, 2009.

10. Акопян В.Ф. Новые конструкции винтовых свай/ Семененко А.И.// Ма-

териалы Юбилейной международной научно-практической конференции «Строительство-2011». Ростов н/Д: Рост. гос. строит., ун-т, 2011.

11. Акопян В.Ф. Различия в работе буровых и винтовых свай/ Панасюк JI.H., Семененко А.И., Акопян А.Ф.// Материалы Юбилейной международной научно-практической конференции «Строительство - 2011». Ростов н/Д: Рост. гос. строит., ун-т, 2011.

12. Акопян В.Ф. Набивная свая / Панасюк JI.H., Семененко А.И., Акопян А.Ф.// Материалы Юбилейной международной научно-практической конференции «Строительство - 2011». Ростов н/Д: Рост. гос. строит., ун-т, 2011.

13. Акопян В.Ф. Моделирование несущей способности ввинчиваемых свай// Научно-технический журнал «Известия Ростовского государственного строительного университета», 2010. №14.

14. Акопян В.Ф. Фундаменты из ввинчиваемых свай повышенной несущей способности / Четвериков A.JL, Труфанова Е.В., Акопян А.Ф.// Материалы седьмого всероссийского конкурсного отбора инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых. М.: РГУИТП, 2012.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 2633 Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

61 12-5/3075

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВИНТОВЫХ СВАЙ С НЕЛИНЕЙНО-ДЕФОРМИРУЕМЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

Специальности 05.23.17 - Строительная механика 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

На правах рукописи

АКОПЯН Владимир Феликсович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Панасюк Л.Н.

кандидат технических наук,

доцент Четвериков А.Л.

Ростов-на-Дону 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................5

Глава 1. Современные технологии изготовления и теории расчета свай, применяемые в фундаментостроении...............................10

1.1. Общая классификация свай из различных строительных мате риалов......................................................................10

1.2. Обзор моделей грунта и критериев прочности...................23

1.3. Инженерные методы расчета свайных фундаментов............26

1.4. Цели и задачи исследования..........................................32

Глава 2. Численные методы расчета деформирования околосвайного грунта с учетом его нелинейной работы......................................33

2.1. Моделирование нелинейной работы грунта с учетом уплотнения..........................................................................33

2.2. Конкретизация итерационного процесса решения физически

нелинейной задачи деформирования грунта с учетом дробно-степенного закона С.П. Тимошенко.................................37

2.3. Реализация итерационного процесса для задач плоской и осе-симметричной деформации методом конечных элементов....38

2.4. Уточнение решения с использованием метода продолжения по параметру нагр ужения.................................................44

2.5. Предельные нагрузки систем из материала, который подчиняется условию наступления предельного состояния..............46

2.6. Иллюстративные примеры...........................................49

2.6.1. Расчетная схема...................... .................................49

2.6.2. Анализ результатов.................... .............................58

2.7.Выводы по 2 главе...................... ................................ 60

Глава 3. Аналитическое исследование несущей способности по грунту

винтовой сваи аксис с разными профилями поперечного сечения винта............................. ...............................................61

3.1 Сваи АКСИС с треугольным профилем поперечного сечения винта...........................................................................62

3.2 Сваи АКСИС с трапециевидным профилем поперечного сечения винта..........................................................................64

3.3 Сваи АКСИС с прямоугольным профилем поперечного сечения винта..........................................................................65

3.4 Сваи АКСИС с полукруглым профилем поперечного сечения винта..........................................................................66

3.5 Сравнение зависимости несущей способности от различных параметров треугольной винта...........................................70

3.6. Выводы по 3 главе.........................................................71

Глава 4. Исследования несущей способности винтовых свай аксис натурными экспериментами.......................................................72

4.1. Учет основных положений теории подобия при натурном моделировании работы винтовой сваи АКСИС ...................................................................................72

4.2. Стенд для испытаний. Методика изготовления моделей свай. Порядок определения их несущей способности .............................................................................................................78

4.3. Результаты экспериментов...............................................85

4.4. Выводы по 4 главе..........................................................87

Глава 5. Исследование несущей способности винтовых свай аксис численными экспериментами......................................................88

5.1. Используемые программные комплексы для численного моделирования натурных экспериментов и сравнение результатов.....88

5.2. Определение влияния различных факторов на несущую способность свай АКСИС.........................................................94

5.2.1. Теоретические основы планирования эксперимента............94

5.2.2. Расчетная модель, использованная при планировании..........99

5.2.3. Результаты численного эксперимента и их интерпретация..........104

5.3. Выводы по 5 главе...................... ..................................114

Глава 6. Технология изготовления винтовых свай АКСИС..................115

6.1. Сборный вид...............................................................117

6.2. Монолитный вид..........................................................119

6.3. Сборно-монолитный вид.................... ...............................123

6.4. Техническое решение по предотвращению выпора грунта вокруг сваи при монтаже..........................................................125

6.5. Выводы по 6 главе.........................................................126

Основные выводы.....................................................................127

Список литературы...................................................................128

Приложение А..........................................................................143

Приложение Б...........................................................................145

Приложение В...........................................................................147

Приложение Г...........................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы растет число объектов строительства, которые требуют устройства фундаментов, обладающих повышенной несущей способностью. Свайные фундаменты в достаточной мере отвечают поставленным задачам. Однако, строительство в условиях плотной городской застройки требует сохранности прилегающих к возводимому сооружению уже существующих зданий [77,110]. Таким образом, ограничена возможность применения забивных и вибровдавливаемых свай.

Проблемы оптимального проектирования и возведения свайных фундаментов приобрели особую актуальность в связи с переходом строительного комплекса на рыночные отношения. Возникла объективная заинтересованность всех подразделений отрасли в снижении затрат за счет уменьшения себестоимости выполняемых работ. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых свайные фундаменты экономически выгодны по сравнению с фундаментами на естественном основании или, нередко, единственно возможный тип фундаментов. Обычно, расходы на работы «нулевого цикла» в среднем составляют около 15% общей стоимости объекта. В сложных грунтовых условиях расходы достигают 25% и более.

В то же время, совместный расчет надземных конструкций и свайного фундамента в широко используемых программных комплексах выполняют упрощенно. Обычно сваи представляют в виде конечных элементов типа «пружина» с ограниченной жесткостью. Это позволяет рассматривать перераспределение напряжений в конструкциях при выключении из работы отдельных свай после достижения предельного значения нагрузки на них. Но жесткость самой «пружины» определяют вручную путем деления нагрузки на осадку сваи, рассчитанную согласно СНиП 2.02.03-85*, СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». В то же время, возможности современных компьютеров и программных комплексов позволяют выполнять уточненный расчет отдельной сваи в грунте. Наиболее корректно они описывают работу буронабивных свай, поскольку при их

изготовлении сохраняют природные характеристики околосвайного грунта. Полученные значения с большой долей достоверности можно принимать в качестве исходных данных.

Однако, расчет свай, при устройстве которых происходит уплотнение околосвайного грунта, производят, в основном, согласно вышеуказанным нормативным документам. Влияние напряженно-деформируемого состояния грунта вокруг сваи на ее несущую способность учитывают путем введения коэффициента условий работы сваи. Следовательно, в случае высоконелинейных, больших относительных локальных деформаций грунта достоверность прогнозов их влияния на несущую способность существующими инженерными методами будет весьма низкой.

Довольно сложно учесть влияние на уже существующие объекты напряжений от свайного фундамента во время монтажа и эксплуатации. Для этого необходимо получить четкую картину распространения локальных напряжений в околосвайной зоне. Ведь даже плавно нарастающие контактные напряжения могут привести к разрушению близлежащих фундаментов.

Актуальность темы диссертации. Состоит в практической значимости описанных выше проблем и возможности применения современной информационной, а так же материальной научно-технической базы для повышения достоверности инженерных расчетов.

Объект исследования. Винтовая висячая свая с околосвайным грунтом.

Предмет исследования. Оценка влияния уплотнения околосвайного грунта профилем винта на несущую способность новых видов винтовых свай АКСИС.

Цель исследования. Научно-обоснованные методы расчета несущей способности по грунту разработанных и запатентованных автором винтовых свай АКСИС с учетом физически нелинейных моделей грунта и его уплотнения в околосвайной зоне на основе математического аппарата МКЭ.

Задачи исследования:

1. Анализ современных методов расчета фундаментов из винтовых свай.

2. Численные исследования напряженно-деформированного состояния грунта в околосвайной зоне при монтаже и эксплуатации свай.

3. Разработка аналитических и численных методов расчета несущей способности по грунту винтовых свай АКСИС.

4. Экспериментальное подтверждение разработанных численных и аналитических методов расчета несущей способности по грунту винтовых свай АКСИС.

5. Оценка эффективности использования винтовых свай АКСИС.

Научная новизна

1. По специальности 05.23.17 «Строительная механика»:

1.1. Проведено численное моделирование процесса устройства винтовой сваи АКСИС путем предварительного внедрения боковой поверхности сваи в грунт, представленный упруго-пластической средой с критерием прочности Мизеса-Шлейхера-Боткина.

1.2. Осуществлено моделирование процесса нагружения винтовой сваи АКСИС эксплуатационными нагрузками.

2. По специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения»:

2.1 Обоснована возможность расчета винтовой сваи АКСИС, как набивной сваи, с введением корреляционного коэффициента, учитывающего работу околосвайного грунта и форму боковой поверхности.

2.2.Проведена оптимизация типоразмеров винтовых свай АКСИС. 2.3.Экспериментально и теоретически обоснована эффективность винтовых свай АКСИС.

2.4.Разработаны и запатентованы винтовые сваи АКСИС, обладающие повышенной несущей способностью по грунту.

Методы исследований. Применены методы:

- математического планирования эксперимента;

- математического моделирования и оптимизации;

- численные методы;

- экспериментальные.

Исследования проводили с применением программных комплексов «ПОЛЮС», «Фундамент 13.2», плоских и объемных моделей свай.

Достоверность полученных при исследованиях результатов подтверждают:

1. Использование в качестве научной основы глубоко изученных и применяемых на практике при расчётах и проектировании широкого круга геотехнических объектов, в лабораторных и натурных экспериментах уравнений механики грунтов, теорий упругости и пластичности.

2. Значительное количество модльных и численных экспериментов;

3. Проверка адекватности математических моделей;

4. Использование в работе лицензионных сертифицированных программных комплексов, а так же поверенного лабораторного оборудования;

5. Сравнение экспериментальных данных, полученных в работе, с результатами аналитических и численных расчетов винтовых свай по I и II группам предельных состояний.

Практическая значимость работы. Возможность оценки напряженно-деформированного состояния околосвайного грунта, что позволяет определить эксплуатационные характеристики винтовой сваи и использовать данную разработку в практике проектирования.

Личный вклад соискателя. Автор диссертации:

- исследовал существующие методики устройства свайных фундаментов с повышенной удельной несущей способностью;

- выполнил оптимизационную задачу определения основных геометрических характеристик свай;

- применил методику двухстадийного загружения свай при численных экспериментах;

- выполнил математическое планирование и поставил серии различных лотковых экспериментов;

- вывел методику расчета винтовых свай, уплотняющих грунт вокруг себя.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на Международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2009, 2010, 2011гг.), конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Молодежном инновационном конвенте (Ростов-на-Дону, 2011г.), семинарах Южнороссийского государственного технического университета (Новочеркасск, 2012 г.), Седьмом всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РГУИТП (Москва, 2012 г.).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс.

Публикации. Результаты исследования и содержание диссертационной работы изложены в 11 статьях, опубликованных в сборниках научных работ и патентах на полезные модели. Пять статей опубликованы в изданиях, входящем в перечень российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов. Общий объем работы: 133 страницы машинописного текста, 66 рисунков, 12 таблиц; список литературы из 129 наименований, 4 приложения; всего 154 страницы.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТЕОРИИ РАСЧЕТА СВАЙ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИИ 1.1 Общая классификация свай из различных строительных материалов.

Свайные фундаменты на сегодняшний день достаточно распространены в строительной отрасли. Наиболее целесообразно их применять при строительстве многоэтажных жилых и общественных зданий, а также зданий и сооружений высокой степени ответственности.

Известно более 250 разновидностей свай, отличающихся друг от друга конструктивно, способом монтажа, применяемыми материалами, способом взаимодействия с основанием и т.п. [12,13, 28, 38, 39, 47, 48-51, 62, 66]. Задачей обзора перспективных видов свайных фундаментов занимались Б.В. Бахолдин [11], О.С. Вертынский [20], М.В. Лебедев [58].

Профессор Е.А.Сорочан привел классификацию свайных фундаментов по широкому спектру параметров [82]:

- по материалу: железобетонные, бетонные, керамзитобетонные, деревянные, стальные;

- по конструкции: цельные и составные квадратные, круглые, прямоугольные и многоугольные, с уширением и без него, с острием и без острия, призматические и пирамидальные (конические), пустотелые и сплошного сечения, винтовые, сваи-колонны;

- по виду армирования: с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием ствола и без него;

- по способу изготовления и погружения: сборные и монолитные, забивные, вдавливаемые, завинчиваемые, буроопускные, буронабивные, в том числе с уплотненным забоем, набивные в пробивных скважинах, виброштампованные;

- по характеру работы в грунте: сваи-стойки, опирающиеся на практически несжимаемые грунты, и висячие сваи, заглубленные в сжимаемые грунты.

Зарождение строительства берет начало еще в неолитовом периоде. Множество археологических находок свидетельствуют о том, что еще в те доисторические времена люди сооружали и обустраивали жилища, изменяя тем самым окружающий мир под свои потребности. Известны находки древнейших поселений человека, возраст которых превышает десятки тысячелетий, при возведении которых применяли искусственные свайные фундаменты. Следует отметить, что в те времена сваи использовались с целью подъема пола жилища над уровнем воды или земли, цель передать нагрузку от сооружения на основание под ним не ставилась. Первым известным по имени инженером был египтянин Имхотеп (ок. XXVIII в. до н.э.). Среди родоначальников инженерных наук можно выделить Эвпалиния из Мегары (VI в. до н.э.), Архимеда (ок. 287-212 г. до н.э.), Витрувия (ок. 70 г. - ок. 13 г. до н.э.) [129].

На рубеже второго и первого веков до нашей эры обоснована необходимость использования деревянных свайных фундаментов при строительстве сооружений в условиях болотистой местности ввиду низких прочностных характеристик грунтов. В этом случае деревянные свайные фундаменты использовали для передачи нагрузки от зданий на грунтовое основание.

Подобные деревянные забивные сваи применены при строительстве зданий и сооружений до 19-го века. Примером хорошо сохранившихся свай могут служить, обнаруженные в октябре 2011 года в ходе раскопок замка Ьаз1асНеп Тог, - сваи под главными воротами града Альтштадт при замке Кенигсберг (рис. 1.1.).

Сейчас деревянные сваи так же находят свое применение. Их изготавливают из бревен хвойных пород деревьев (сосна, ель, лиственница и пр.). Из этих пород изготавливают сваи-бревна диаметром более 20 см и длиной от 4-х до 16-ти метров. Погружаемый конец сваи обтесывают в виде пирами-

ды с тремя или четырьмя гранями и затупленной вершиной, в некоторых случаях его защищают чугунным или стальным башмаком.

Рис. 1.1. Деревянные сваи под бутовой кладкой на известковом растворе, устроенные под входной группой ЬазГасНеп Тог Кенигсберг (Калининград)

конец ХУП-начало XVIII.

В настоящее время использование деревянных свай до�