автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряженно деформированное состояние грунтоцементных свай, взаимодействующих с грунтовым основанием и межсвайным пространством

На правах рукописи

Струнин Павел Владимирович

НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ И МЕЖСВАЙНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

005539685

Москва-2013

005539685

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

Официальные оппоненты:

Бартоломей Леонид Адольфович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры строительного производства, оснований и фундаментов

Буданов Алексей Александрович кандидат технических наук, «OVE ARUP», (г. Москва), Руководитель геотехнического отдела

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно- строительный университет»

Защита состоится « » декабря 2013 года в час. 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.138.08 созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337,

г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д.26.^ /0'^ Ф-гЧ^/^Ь/7&<-У Сл?ДУ

„

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «

У » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —Знаменский Владимир Валерьянович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Технология струйной цементации грунтов находит все большее применение в практике строительства. Грунтоцементные сваи в настоящее время используются как ограждающие конструкции котлована, в качестве противофильтрационных завес, усиления фундаментов, а также для закрепления грунтов в основании плитных фундаментов.

К достоинствам данной технологии стоит отнести возможность закрепления почти всего диапазона фунтов, отсутствием динамических воздействий, высокую производительность и ряд других положительных качеств. Однако, несмотря на достаточно широкое применение, актуальным остается вопрос рассмотрения взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком. Применение данного типа свай в настоящее время недостаточно обосновано, как экспериментальными, так и теоретическими исследованиями. В свою очередь в нормативных документах практически отсутствуют какие-либо указания по методам расчета данного типа свай.

Степень разработанности темы исследования

Исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом и характера их работы в виде различных несущих и противофильтрационных элементов посвящен ряд экспериментальных и теоретических работ. Анализ этих работ указывает на то, что возникает ряд проблем при проектировании грунтоцементных конструкций.

Исследование закономерностей работы и накопление опыта применения новых типов свай, еще не обладает достаточной изученностью и требует дополнительных исследований границ их применения для различных инженерно-геологических условий, а также оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) свай при взаимодействии с окружающим грунтом.

Цели и задачи исследования

Целью данной работы является изучение, развитие и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом, аналитическими и численными методами.

Для достижения поставленной цели был выполнен следующий вид работ:

1. Проведено ознакомление с литературными источниками и составлен обзор литературы по методам оценки геометрических, прочностных и деформационных характеристик грунтоцементных свай. Рассмотрен опыт использования

одиночных грунтоцементных свай и свай в составе свайного фундамента объединенного жестким плитным ростверком, включая методы их расчета.

2. Произведен анализ теоретических основ количественной оценки взаимодействия свай с окружающим фунтом. Сформулированы методы расчета свайных фундаментов по группам предельных состояний, а также с учетом нелинейных свойств грунта.

3. Выполнена постановка и решение задачи о взаимодействии одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом по модели «грунтового основания ограниченных размеров» (грунтовым цилиндром) З.Г. Тер-Мартиросяна. Решение рассматривалось для центрально приложенной нагрузки при однородном и неоднородном (слоистом) грунтовом основании.

4. Предложен метод решения задачи о взаимодействии одиночной сваи конечной жесткости с массивом фунта, обладающим упругопластическими свойствами. Он основан на учете перераспределения нафузки между боковой поверхностью сваи и ее основанием, обусловленное полной мобилизацией сопротивления сдвигу в верхней части сваи по ее боковой поверхности.

5. Поставлены и решены задачи для группы свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание. Сформулированы аналитические выражения для оценки НДС грунтоцементных свай и окружающего грунта, а также осадок свайного фундамента.

6. Рассмотрена задача по определению зоны уплотнённого грунта вокруг свай обладающих жесткостью приближенной к жесткости грунта (песчаные сваи). Приведенное решение позволяет определить величину критического вертикального и радиального напряжений, радиус пластической зоны и поле напряжений в пластической зоне, возникающей вокруг песчаной сваи.

7. Получено решение задачи о группе свай под плитным фундаментом, опирающихся на сжимаемое основание. Предложены аналитические зависимости для оценки НДС в пределах длины условного фундамента и его осадок.

8. Выполнено сопоставление полученных аналитических решений с результатами численных решений с помощью профаммного комплекса Р1ах1э, а также натурных испытаний грунтоцементных свай.

Научная новизна работы

1. Предложен новый метод решения задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы фунта ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай. Данный метод отличается от существующих тем, что позволяет произвести оценку деформаций и усилий, возникающих в свае, как для однородного основания, так и для неоднородного.

2. Предложен новый инженерный метод расчета взаимодействия одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта обладающим упругопластическими свойствами. Он позволяет учесть влияние перераспределения нагрузки между боковой поверхностью сваи и ее основанием при нагружении. Выполнен анализ этой модели на основе решения задач аналитическими и численными методами.

3. На основании модифицированного решения задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и внутренним радиальным давлением, определены аналитические зависимости для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание. Подтверждено, что учет жесткости грунтоцементных свай приводит к существенному перераспределению усилий между сваей и грунтом.

4. Предложен метод расчета висячих грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на сжимаемое основание. Он позволяет выполнить оценку НДС грунтоцементной сваи и окружающего грунта в пределах длины условного фундамента. Представленная модель расчета также позволяет оценить деформации и приведенные характеристики деформируемости условного фундамента.

Теоретическая и практическая значимость работы

Проведенная научно-исследовательская работа позволила разработать новые принципы и методы расчета свай выполненных по струйной технологии. Даны решения с использованием учета сжимаемости ствола сваи, предложена модификация решения Лямэ, показан характер распределения напряжений между одиночной сваей и грунтом, существенно зависящее от соотношения их жесткостей, а также в составе свайного фундамента объединенного плитным ростверком.

Предложенные методы оценки взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом позволяют обеспечить научно-теоретическое обоснование возможности применения данных свай и могут быть использованы для проектирования реальных объектов.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты количественной оценки взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с однородным и неоднородным грунтовым цилиндром аналитическими и численными методами.

2. Постановка и решение задачи по взаимодействию одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром с учетом мобилизации сил трения на боковой поверхности сваи.

3. Результаты количественной оценки НДС группы свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание, полученные на основе нового алгоритма расчета.

4. Постановка и решение задач по взаимодействию группы свай под плитным фундаментом, опирающимся на сжимаемое основание, на основании новых аналитических зависимостей, принципов расчета и их анализ.

5. Результаты экспериментальных исследований одиночной длинной свай и группы свай под плитным ростверком и их анализ. Сравнение их с аналитическими и численными методами.

Внедрение результатов исследований

Результаты исследований внедрены на реальных объектах строительства и при составлении нормативного документа «Рекомендации по проектированию и расчету оснований плитных фундаментов с применением грунтоцементных колонн», выпущенные МГСУ в 2011 г., а также были реализованы в программном комплексе ОеоРЫе.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований заключается в том, что они основываются на применении основных законов и положений механики грунтов, и строительной механики, а также на сопоставлении полученных результатов с экспериментальными исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом.

Личный вклад соискателя в полученных результатах изложенных в диссертации, заключается в:

- решении задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы грунта ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай;

- разработке нового инженерного метода расчета взаимодействия одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта ограниченных размеров, при мобилизации сил трения на ее боковой поверхности;

- решении задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и внутренним радиальным давлением, определении аналитических зависимостей для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание;

участие в проведении экспериментальных работ исследования взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом.

Апробация результатов

Основные положения работы обсуждались: на XIV Международной конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 27-29 апреля 2011 г.; на конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» 19-21 октября 2011 г.; на XV Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых

6

«Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 25-27 апреля 2012 г.

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в 7-ми печатных работах, 4 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 128 наименований. Общий объем диссертации составляет 168 страниц машинописного текста. Работа содержит 57 рисунков и 13 таблиц.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну З.Г. за проявленное внимание и оказанную помощь при выполнении настоящей диссертационной работы, а также техническому директору ООО «CK «ИПС», кандидату технических наук Малинину А.Г. за возможность апробаций теоретических исследований на реальных объектах строительства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследований, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится анализ вопросов инъекционного закрепления грунтов. Рассматриваются различные виды цементации (инъекции) грунтов, принципы технологии и история их развития. Наибольшее внимание уделяется описанию струйной цементации грунтов, как самой молодой из представленных технологий и наименее изученных.

При проектировании грунтоцементных конструкций важным является назначение геометрических характеристик. Для этого выполнен обзор предлагаемых аналитических зависимостей по определению диаметров грунтоцементных свай. Отмечается, что определение достоверного диаметра грунтоцементных свай является достаточно сложной задачей и требует учета достаточно большого количества параметров. Однако приведенные в этой главе выражения, позволяют выполнить предварительную оценку и принять проектный диаметр свай в зависимости от режима технологии и грунтовых условий.

Наряду с геометрическими характеристиками важными показателями качества грунтоцементных свай, являются их прочностные и деформационные характеристики. При рассмотрении этих вопросов составлен обзор подходов к оценке данных характеристик грунтоцемента. Раскрываются основные факторы.

влияющие на прочность и модуль деформации, а также приводятся таблицы со значениями указанных параметров в зависимости от типа грунта.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическим основам количественной оценки взаимодействия свай с окружающим грунтом.

Вопросам о взаимодействии свай с окружающим грунтом и характере их работы под нагрузкой посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Большой вклад в изучение поведения одиночных свай и свайных фундаментов посвящены работы таких ученых, как Бартоломей A.A., Баходдин Б.В., Готман A.JL, Готман Н.З., Григорян A.A., Голубков В.Н., Далматов Б.И., Девальтовский Е.Э., Дорошкевич Н.М., Егоров К.Е., Знаменский В.В., Ильичев В.А., Луга A.A., Мангушев Р.А, Никифорова Н.С., Тер-Мартиросян З.Г., Ухов С.Б., Федоровский В.Г., Цытович H.A., R. Katzenbach, К. Terzagi, H.G. Poulos и многих других.

Исследования, проведенные многими авторами, показали различие в передаче нагрузки на грунт между одиночной сваей и кустом свай. При шаге свай в кусте более 5...6d не происходит взаимного влияния между сваями, то есть они работают как одиночные.

В свою очередь при снижении шага между осями свай в кусте до 3...4d происходит снижение сил трения на боковой поверхности и возникает явление блокирования межсвайного грунта (свая и грунтовый массив работают как единое целое), а также происходит неравномерное распределение нагрузки между сваями.

Расчет свайных фундаментов выполняется по двум группам предельных состояний. При этом для одиночных свай основной расчет заключается в определении несущей способности, а для куста свай основным критерием является расчет по предельным деформациям.

Отмечается, что при рассмотрении взаимодействия сваи и окружающего грунта необходимо учитывать сжимаемость ствола сваи, а также соотношение между жесткостью сваи и окружающего грунта.

Расчеты, связанные с учетом нелинейных свойств более точно отражают работу свайного основания, однако многие из предложенных моделей имеют определённые недостатки, ограничивающие их применение в инженерной практике. Это приводит к необходимости расчета в программах на основе метода конечных элементов.

Для рассмотрения вопроса о характере взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом необходимо рассмотреть два разных типа работы сваи: одиночной свай и свай в составе фундамента с плитным ростверком.

Третья глава посвящена количественной оценке НДС грунта вокруг одиночной грунтоцементной сваи. Оценка НДС одиночной сваи является важным

8

этапом при рассмотрении вопроса взаимодействия свайного фундамента с грунтовым основанием.

Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементнон сваи с однородным грунтовым цилиндром

Работа свай, как одиночные начинается при шаге свай больше 6(1 и для решения задачи о взаимодействии сваи с окружающим грунтом можно использовать не полупространство, а массив грунта ограниченных размеров. Поэтому для решения задачи была использована «Модель грунтового основания ограниченного размера» (грунтовый цилиндр), предложенная Тер-Мартиросяном З.Г. В данной модели рассматривается взаимодействие сваи длиной I, диаметром 2а расположенной внутри линейно-деформируемого массива грунта цилиндрической формы диаметром 2Ь и длиной £> / (рис.1).

Рисунок 1. Расчетная схема взаимодействия длинной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом под воздействием центрального усилия N

В этом случае при взаимодействии сваи с окружающим грунтом действует сдвиговой механизм телескопического типа, т.е. преобладают касательные напряжения. Для определения напряжений в контактной зоне было рассмотрено равновесие элементарного слоя толщиной сЬ и получено следующее соотношение между касательными напряжениями на боковой поверхности г„ и нормальными в стволе сваи напряжениями а., т.е.:

Приводится выражение для угловой деформации грунта вокруг сваи:

Г = — = -- (2)

аг и

а также закономерность изменения касательных напряжений в фунте по радиусу г в виде:

г(г,г) =--(3)

г

Совместное решение (1) - (3) позволяет получить выражение для осадки длинной сваи, радиусом а в грунтовом цилиндре радиусом Ь :

5(а,1)=Т-^ЧЫа) (4)

Однако оно содержит неизвестные величины касательных напряжений на поверхности сваи в т.ч. на уровне оголовка го(/) и в основании сваи та (0). Кроме того, не учитывается сжимаемость ствола сваи. Для нахождения неизвестных выражений усилий отпора на нижнем конце сваи Я и касательной силы на боковой поверхности Т, были использованы уравнение равновесия сил, равенство осадок грунта и сваи на уровнях оголовка и ее основания. Составлена система уравнений, для нахождения неизвестных, решение которых привело к следующим соотношениям:

а а-1 а' -^

т0-со , / 3 • а ■ Есе

- (— —- + 2) + —---+ +(-• — + !) (5)

а- Еа 3 • а■ Еа I со, Еа со, / со,

а а, I „ 1 ,та1- 11 ,г,-г0

= <т, ■ - - г0 -2- —; = Сто • со, + — (-2— + ----2-) + <т01)

I со, Еа £„ а 3- а т,

где г0 - касательное напряжение на боковой поверхности сваи на уровне ее основания, г, - касательное напряжение на боковой поверхности сваи на уровне ее оголовка, <т0 - напряжения в свае на уровне ее основания, а, - напряжения в свае на уровне ее оголовка, 51 - осадка сваи, Е - модуль деформации сваи, / - длина сваи, С-■•»,

4.О.,

№ =_£_ца/а), к, < 1 - коэффициент, учитывающий глубину приложения нагрузки на штамп, Сгр - модуль сдвига грунта, со - коэффициент формы для круглого штампа.

Данное аналитическое решение позволяет учесть влияние жесткости сваи на ее деформирование и осадку под нагрузкой, а также на распределение усилий при ее взаимодействии с окружающим грунтом.

На рисунке 2 приведена зависимость осадок свай различной длины от соотношения модулей деформации сваи и окружающего грунта. Осадка одиночной сваи вычислялась при помощи нескольких способов: решения, приведенного в СП 24.13330.2011 (№1-3); предложенного аналитического решения (№4), а также численного расчета в программном комплексе Р1ах1Б(№5). Нагрузка, действующая на сваю, была постоянной и составляла N = 1000 кН.

Диапазон изменения соотношения модулей деформации сваи и грунта, который составляет 50-100 соответствует грунтоцементным сваям. Отношение модуля деформации сваи к грунту равное 3000 относится к жесткой свае.

45,0 40,0 33,0 30,0 25,0

Оот

еаай, мм 20,0

13,0 Ю.О 3.0 0,0

« * 12 16 20 34 28 31

Длина свай, м

Рисунок 2. График зависимости осадки свай по различным методикам от соотношения модулей деформации свай и окружающего грунта при различной длине свай

Анализируя приведенный график, были сделаны следующие выводы:

- Расчет осадки одиночной грунтоцементной сваи по СП 24.13330.2011 с учетом жесткости свай приводит к возрастанию, а не снижению осадки при увеличении длины сваи, что является недостатком;

- Расчет одиночных свай по СП 24.13330.2011 более достоверно по физическим представлениям определяет осадку для несжимаемых свай;

- Величина осадок определенных по аналитическому решению меньше соответствующих осадок по СП 24.13330.2011, т.к. в расчетной схеме используется массив грунта ограниченных размеров, а не все полупространство.

- Приведенный график позволяет сделать вывод о необходимости учета сжимаемости при расчете осадки одиночной сваи.

Проведенное исследование усилий, возникающих в свае показало, что при устройстве длинной грунтоцементной свай на ее основание приходится менее 10% от передаваемого усилия, то есть несущая способность в основании практически не используется. Это можно увидеть из сопоставления численного

11

1 • СП 24.13330 Есв/ЕсреЗО

»-2 * СП 24.13330 Еса/Егр >100

•-3- СП 24.13330 Есв/ЕдеЗООО

•-4 ■ аншлт-я расчет Есв/ЕгрсЮО

решения для буронабивной и грунтоцементных свай, приведенных на рисунках 3 и 4.

[кН/т']

гос.оо

I -400.00

I -600.00 •600,00 -1000.00 1200.00 ■1400.00

-2000.00 -2200.00 -2400.00 -2600.00 -2600.00 3000,00 •1200.00 »400.00

30.00

Рисунок 3. Осевые напряжения (сг^ ) в грунтоцементной (а) и буронабивной (б) (

большой длины

•гло

-ычо

-«.го

-7Л О ■ ГАО

I

и.

Рисунок 4. Изополя вертикальных перемещений (м,,) грунтоцементной (а) и буронабивной (б)

свай большой длины 12

Это объясняется особенностью взаимодействия сжимаемой сваи с окружающим грунтом, при котором доля усилия в основании сваи возрастает с ростом ее жесткости.

В диссертационной работе также приводится решение задачи о взаимодействии одиночной грунтоцементной сваи с неоднородным грунтовым цилиндром.

Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром, с учетом мобилизации сил трения на боковой поверхности

Предложен новый инженерный способ решения задачи о взаимодействии сваи с окружающим грунтом, с учетом мобилизации сил трения вокруг сваи в ее верхней части. В таком случае рассматриваются несколько типов расчетных схем, описывающих распределение внешней нагрузки между боковой поверхностью сваи и ее пятой (рис.5.).

Рисунок 5. Расчетные схемы задачи о взаимодействии грунтоцементной сваи с окружающим грунтом с учетом мобилизации касательных напряжений на ее поверхности

С ростом внешней нагрузки в окружающем сваю грунте происходит рост сдвиговых напряжений по боковой поверхности - ттоЬ. При этом касательные напряжения могут развиваться до определенного предельного значения - гВт, вызывающего перераспределение касательных напряжений вдоль поверхности сваи. При этом дальнейший рост касательных напряжений сверх г|;т на данном участке невозможен. Очевидно, что внешняя нагрузка будет восприниматься на участках, где предел прочности еще не преодолен, а также ее нижним концом.

Для составления расчетной схемы необходимо решить задачу о взаимодействии одиночной сваи с окружающим грунтом в упругой постановке, а затем привести ее результаты в соответствие с известным законом изменения

прочности грунта по глубине массива фунта, в основе которого лежит известный закон Кулона (рис.6).

Полученный из упругого решения закон распределения мобилизованного касательного напряжения (т1/м) является линейным. Совмещение эпюр тг1аа и г", позволяет выделить участки напряжений, которые способна выдерживать боковая поверхность сваи (Г/ и Т2), участок напряжений, который не может воспринять верхняя часть сваи длиной // - АЫ и часть нагрузки, которая не мобилизовалась на нижней части сваи длиной 1г- АТ. При этом возникает реакция на уровне пяты сваи - Л.

Рисунок 6. Расчетная схема взаимодействия верхней части грунтоцементной сваи с учетом мобилизации касательных напряжений

Распределение нагрузки между боковой поверхностью сваи и ее основанием зависит от приложенного усилия. В соответствии с этим можно выделить три варианта расчетных схем, представленных на рисунке 5. Особенности схем в следующем:

1. В первой расчетной схеме (рис.5а) при невысоком значении внешней нагрузки на всей боковой поверхности г <гШп. В этом случае не выделяются нагрузки Ш и АТ, а суммарная сила на боковой поверхности сваи обозначается, через Т. Осадка сваи будет соответствовать упругому решению.

2. Во второй расчетной схеме (рис.5б) при среднем уровне нагрузки на сваю, при условии Ш < АТ, вся дополнительная нагрузка воспринимается оставшейся боковой поверхностью сваи. Осадка сваи будет определяться от усилий Т) ,Т2, и АЫ, а также от осадки сжатия ствола: Б = 5, (7; + Т2)+£2 (ДЛО+.

3. Расчетная схема №3 (рис.5в) возникает при высокой нагрузке на сваю. В этом случае АМ>АТ и на всей боковой поверхности сваи мобилизуется касательное напряжение, т.е. г = гйт, и также вся дополнительная нагрузка передается на основание. Осадку сваи будут определять усилия Г/, Т2,, АТ, ЛГЛ1„ и осадка сжатия ствола: ^=¿',(7] +2"2)+52(АТ)+Л'3(Л^)+.

Также в работе проведено сопоставление результатов расчета тестового примера по предложенной методике с численным решением (рис.7).

Как видно из результатов при нагрузках до 4000 кПа сходимость решений является достаточно хорошей, однако дальнейшее увеличение нагрузки приводит к большему расхождению. При этом стоит отметить, что максимальная разность результатов не превышает 27% при нагрузке в 6000 КПа (для данного поперечного сечения соответствует сосредоточенной нагрузке 170 т), которая является довольно значительной для прочности сваи по материалу (грунтоцемент). Соответственно с достаточной для инженерных расчетов точностью данный метод показал хорошую сходимость.

Осадка ежи маемой сваи, мм

——'—5амалит

Рисунок 7. Сравнение результатов расчета осадок одиночной грунтоцементной сваи, взаимодействующей с массивом грунта, с учетом мобилизации сил трения по ее боковой

поверхности

Четвертая глава посвящена исследованию взаимодействия (НДС) грунтоцементных сваи с окружающим грунтом в составе свайного фундамента с плитным ростверком при опирании свай на несжимаемое и сжимаемое основание.

Опирание свай на однородное несжимаемое основание

При опирании свай на несжимаемое основание для решения выделялась ячейка свайного фундамента с плитным ростверком (рис.8) и рассматривались две подзадачи: НДС сваи и окружающего грунта, и об их взаимодействии между собой.

N

'Л . . |

• © / Л © '

( . ■ ' Г - ч • //// " ч •:.■»■ 1

- 2г1

2г2

Рисунок 8. Расчетная схема по определению НДС сваи и окружающего грунта 1 - грунтоцементная свая, 2 - грунт, 3 - ростверк

Для нахождения неизвестного поля напряжений было использовано решение задачи Лямэ о НДС цилиндра сжатого внутренним радиальным и внешним вертикальным давлением. Получены аналитические выражения для определения НДС сваи и окружающего грунта:

НДС сваи

рЛ(3

(.Л2/3 + ОСЛО А,

П) -А

А

(1) _ рА^ос +

д.0) _ рА(з^сс + з2/3)

в (А2/3 + осА1 ).?з

(6)

НДС грунта Е2

_ РМ

{А2Р+аА1

((А/,НМг-Ща^-г-гс , <7;«(^-М1г11)+<Т®(^-А/1Г12)

1 , _^ (7)

'2 '1 ' '2 '1 ((А/, - +(А/2

__£з___1 I дз_£з_

где р- давление на ростверк; А,,4,,Л2- площади ячейки фундамента, сваи и окружающего грунта соответственно; а'г" ,а'„''<т1'' - радиальные, тангенциальные и осевые напряжения в свае; сг,<2),с42)сг<2)- радиальные, тангенциальные и осевые напряжения в грунте; г, - радиус сваи; г2 - радиус грунта; модуль деформации и коэффициент Пуассона сваи; /-;2,г2- модуль

деформации и коэффициент Пуассона грунта; / - длина сваи; Х'1', - осадка сваи и грунта; .У,, , ^з > Л/, ,М7 - коэффициенты, зависящие от исходных параметров.

Анализ полученного решения для НДС свайного фундамента, объединенного плитным ростверком при опирании свай на твердое основание, подтвердил предположение о перераспределении нагрузки между сваей и окружающим грунтом. При устройстве грунтоцементных свай под плитным ростверком в работу включается грунт и перераспределяет усилия между сваей и грунтом (до 30% усилий может приходиться на грунт). В случае жестких сваи они воспринимают практически всю нагрузку.

Упругопластнческие деформации вокруг сваи при работе в составе свайного фундамента с плнтным ростверком

Как указывают многие исследователи в процессе устройства грунтовых свай, например песчаных, окружающий грунт уплотняется с изменением его физико-механических характеристик. При этом в процессе устройства сваи и при их работе под нагрузкой возникают зоны уплотненного грунта. Данные зоны при определенных соотношениях жесткостей грунта и сваи могут переходить в предельное состояние (рис.9).

N

2г1

__2г2______

Рисунок 9. Расчетная схема по определению НДС песчаной сваи и окружающего грунта с учетом образования пластической зоны вокруг сваи

Используя уравнение предельного состояния при осесимметричной задаче, были получены выражения для критических напряжений, вызывающих переход грунта вокруг сваи в предельное равновесие, а также радиус пластической зоны.

2-С-С05<р _ 2-С-С05Р

А-^-втр-(!+<?))' ' Лп ■ ■

4 ' ^ 4 (—(1—вт^)—(1+51п<г?))

где 5 - коэффициент бокового давления грунта; <Р,С- угол трения и сцепление

окружающего грунта; г т-радиус пластической зоны; а-—ЕМ._г,

(А^Р+аА^к Еф Е2 г{-г;

Также в работе приведено аналитическое выражение для оценки НДС в пластической зоне.

Полученное решение позволяет определить величину критического вертикального и радиального напряжения на грунт, а также радиус пластической зоны, возникающей вокруг песчаной сваи. Определение данных величин позволяет минимизировать их влияние на взаимодействие свайного фундамента с основанием.

Опирание свай на однородное сжимаемое основание

Расчетная схема взаимодействия сваи в составе свайного фундамента с плитным ростверком описывается, на основе схемы взаимодействия условного фундамента (отдельной ячейки), с нижележащим массивом грунта (рис.9).

2а-г\ (2С ■ - 2 - <у)

(8)

Рисунок 10. Расчетная схема взаимодействия грунтоцементной сваи с окружающим грунтом в составе свайного фундамента с плитным ростверком

При этом необходимо определить напряжения, возникающие в свае (р2,р3) и грунте (/?!,)> осадку фундамента, а также учесть трение, возникающее по боковой поверхности сваи (га) и деформирование грунта под подошвой условного фундамента.

В этом случае закон изменения касательных напряжений в грунте принят в виде:

ЛЬ-г)1

т(г,г) = тЛг)-

(Ь-а)2

Получено выражение для осадки сваи с учетом (2) и (9) в виде:

^0) =

3-О-ф-аУ

(9)

(10)

Принимая сжимаемость ствола сваи через закон Гука, и условия равновесия для элементарного слоя сваи толщиной аЬ, было получено выражение для осадки сваи:

5„ (г) = С, • в-я-" + С, • + V 0 -1)

(И)

где я =

бд.р

' а (Ь-а)-Е„

0.р - модуль сдвига грунта, - модуль деформации сваи, а,ь - радиус 19

сваи и ячейки фундамента соответственно, С,,С2- константы определяемые из граничных условий.

На основании (11) получены аналитические зависимости для определения распределения напряжений в условном фундаменте и его осадки:

Р1 = Рг =

рЬ2 Д"о

л2 «2

= р-3.1 - £> - С,

р - от, ■ <з -¿'„а • (1 - 4)

С, = —С2 =

аг2 • а + 2, -1 ■ £> ■ Р ■ оСу

(12)

Е.„ Ь'

'-2

4С,„

6-а

-Я

Общая осадка фундамента будет определять двумя слагаемыми:

фунд — 3усл.фунд + ^грунта (13)

Еще одним важным аспектом в данной задаче является возможность оценить долю от общей нагрузки, которая приходится на сваю Ы„ и грунт Ыгр, а также распределение нагрузки между упругим отпором грунта я и по боковой поверхности Т.

Анализ тестовых задач подтвердил перераспределение нагрузки между сваей и окружающим грунтом, зависящее от соотношения жесткостей сваи и грунта. Сопоставление полученных результатов расчета по описанному методу выполнено с численными решениями. Результаты сопоставления показали достаточно хорошую сходимость. Расхождение результатов составило не более 11%.

В пятой главе представлены результаты сопоставления полученных методов расчета, с натурными испытаниями проведенных автором на некоторых строительных площадках, а также рассмотрены данные приведенные в открытых источниках.

Для сопоставления метода расчета одиночной свай взаимодействующей с грунтовым цилиндром, с учетом мобилизации сил трения на ее боковой поверхности были рассмотрены два объекта в г. Ярославль и г. Москва. На данных объектах были проведены статические испытания одиночных грунтоцементных свай вдавливающей нагрузкой. Результаты статических испытаний свай в г. Ярославль приведены на рисунке Паи 116, а в г. Москва на рисунке 11в.

а) б) в)

Рисунок 11. Графики результатов испытаний свай статической нагрузкой а) Свая длиной 8,0 м б) Свая длиной 9,0 м в) Свая длиной 10,0 м

По результатам испытаний контрольные сваи были доведены до испытательной нагрузки и не было получено срыва по грунту (осадки свай составили 15,0-25,1 мм), то есть результаты натурных испытаний подтвердили расчетное значение несущей способности свай. На основании исходных данных были построены расчетные схемы для аналитического решения и проведено сопоставление полученных результатов с результатами испытаний. Осадки свай при аналитическом решении соответствующие предельной испытательной нагрузке составили 27,6 мм для сваи длиной 9,0 м, 20,7 мм для сваи длиной 8,0 м и 16,3 мм для сваи длиной 10,0 м. Расхождение результатов между аналитическим и численным решением составило для испытаний в г. Ярославль 7,2-9,0% (2 сваи), а для г. Москва 7,3% (1 свая).

В данной главе также проведено сопоставление результатов аналитического расчета взаимодействия свайного фундамента с плитным ростверком при опирании свай на твердое основание со штамповыми испытаниями одиночной сваи длиной 10,0 м на опытной площадке в г. Пермь. Осадка при натурном испытании составила 16,3 мм, а при аналитическом расчете 20,8 мм. Разница результатов между аналитическим расчетом и натурным испытанием имеет удовлетворительную сходимость и составляет порядка 21%. Расхождение

21

значений может быть связано с тем, что значения характеристик грунтов и модуля деформации грунтоцементных свай составили фактически большие значения, чем принимаемые в расчет. Это обусловило меньшую величину осадки плитно-свайного фундамента.

Для проверки аналитического решения о взаимодействии грунтоцементной сваи под плитным ростверком с окружающим грунтом при ее опирании на сжимаемое основание использовались результаты штамповых испытаний 4-х грунтоцементных свай длиной 15,0 м. Испытания были выполнены Гетманом А.Л. и Хурматуллиным М.Н в г. Уфа. Сопоставление результатов расчета с натурными испытаниями также показали удовлетворительную сходимость (19%).

Полученные результаты сопоставления, позволяют с достаточной для инженерных расчетов точностью рекомендовать приведенные аналитические методы расчета для практических целей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод количественной оценки взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели «массива грунта ограниченных размеров». Данный метод показал удовлетворительную сходимость с численным решением и позволяет произвести оценку деформаций и усилий, возникающих в свае, как для однородного основания, так и для неоднородного (двухслойного).

2. Исследование усилий, возникающих в одиночных грунтоцементных сваях показало, что при устройстве длиной свай на ее основание приходится менее 10% от передаваемого усилия, то есть доля усилия в основании сваи возрастает с ростом ее жесткости. Это объясняется особенностью взаимодействия сжимаемой сваи с окружающим грунтом.

3. Предложен метод расчета НДС массива грунта ограниченных размеров включающего сваю с учетом мобилизации сил трения по ее боковой поверхности. Сопоставление результатов аналитических расчетов с численным моделированием и результатами натурных испытаний показало, что с достаточной для инженерных расчетов точностью предложенный метод дает хорошую сходимость.

4. Анализ полученного решения для НДС свайного фундамента, объединенного плитным ростверком подтвердил предположение о перераспределении напряжений между сваей и грунтом. В случае жестких сваи они полностью воспринимают практически всю нагрузку, а при устройстве

грунтоцементных свай, в работу включается грунт и перераспределяет усилия между сваей и грунтом, в соответствии с их жесткостями.

5. Выполненное сопоставление аналитического и численных решений об оценке взаимодействия свай с окружающим грунтом, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком показало хорошую сходимость с результатами натурных испытаний.

6. В отличие от традиционного способа расчета условного фундамента предложенный метод позволяет оценить НДС в пределах длины условного фундамента, а также получить осадку продавливания свай под его подошвой.

7. На основании полученного решения для НДС плитно-свайного фундамента на несжимаемом основании были выпущены рекомендации по расчету и проектированию плитно-свайных фундаментов на основаниях укрепленных грунтоцементными колоннами.

8. Результаты выполненных исследований НДС грунтоцементных свай внедрены нескольких объектах строительства, а также реализованы в программном комплексе GeoPlate.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Усиление слабых грунтов в основании фундаментных плит с использованием технологии струйной цементации грунтов // Вестник МГСУ. 2010. №4. стр. 310-316.

2. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Взаимодействие грунтоцементной сваи с окружающим грунтом в составе плитно-свайного фундамента // Сб. трудов XIV международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». МГСУ 27-29 апреля 2011. стр. 607-611.

4. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Расчет оснований плитных фундаментов уплотненных песчаными сваями в пластической постановке // Вестник МГСУ. 2011. №8. стр. 116-121.

5. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Взаимодействие одиночной сваи с однородным слоем грунта ограниченного размера // Сб. трудов XV международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». МГСУ 25-27 апреля 2012. стр. 659-662.

6. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В., Чинь Туан Вьет // Влияние сжимаемости материала сваи при определении осадки в свайном фундаменте. Жилищное строительство. 2012. №10. стр. стр.13-15.

7. Тер-Мартиросян З.Г., Сидоров В.В., Струнин П.В. // Расчет напряженно-деформированного состояния одиночной сжимаемой баретты и сваи при взаимодействии с массивом грунта, обладающим упругопластическими свойствами. Жилищное строительство. 2013. №9. стр.18-22.

23

Подписано в печать:

28.10.2013

Заказ № 9007 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

рукописи

04201450148 "--'

Струнин Павел Владимирович

НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ И МЕЖСВАЙНЫМ

ПРОСТРАНСТВОМ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ Доктор технических наук, профессор Тер-Мартиросян З.Г.

Москва 2013 г.

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

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ................................11

1.1. Разновидности инъекционного закрепления грунтов........................................11

1.2. Струйная цементация грунтов. Анализ исторического развития.....................14

1.3. Технологические аспекты струйной цементация грунтов.................................18

1.4. Прочностные и деформационные характеристики грунтоцементных свай .... 29

1.5. Анализ применения грунтоцементных свай в составе свайного и плитно-свайного фундамента......................................................................................37

1.6. Выводы по главе.....................................................................................................40

ГЛАВА II. АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ОСНОВЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВАЙ С ОКРУЖАЮЩИМ ГРУНТОМ................41

2.1. Современное представление о взаимодействии свайного фундамента с основанием.....................................................................................................................41

2.2. Методы расчета свай по I предельному состоянию...........................................44

2.3. Методы расчета свай по II предельному состоянию..........................................48

2.4 Методы расчета свайных фундаментов с учетом нелинейных

свойств грунта...............................................................................................................62

2.5. Численное моделирование геотехнических задач............................

2.6. Выводы по главе.....................................................................................................68

ГЛАВА III. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА НДС ГРУНТА

ВОКРУГ ОДИНОЧНОЙ ГРУНТОЦЕМЕНТНОЙ СВАИ...........................................70

3.1. Общие положения..................................................................................................70

3.2. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи

с однородным грунтовым цилиндром.........................................................................71

3.3. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи

с неоднородным грунтовым цилиндром.....................................................................82

3.4. Взаимодействие (НДС) одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром, с учетом мобилизации касательных сил трения на боковой поверхности...................................................................................................................87

3.5. Выводы по главе.....................................................................................................99

ГЛАВА IV. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (НДС) ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ В СОСТАВЕ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА С ПЛИТНЫМ РОСТВЕРКОМ.. 101

4.1. Общие положения. Постановка задачи..............................................................101

4.2. Опирание свай на однородное несжимаемое пространство............................103

4.2.1. НДС внутреннего цилиндра (свая)...........................................................103

4.2.2. НДС наружного цилиндра (грунт)............................................................105

4.2.3. Упругопластические деформации вокруг сваи при работе

в составе свайного фундамента с плитным ростверком..................................112

4.3. Опирание свай на однородное сжимаемое основание.....................................117

4.4. Выводы по главе...................................................................................................127

ГЛАВА У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ....................................129

5.1. Общие положения................................................................................................129

5.2. Статические испытания одиночной грунтоцементной свай в г. Ярославль.. 129 5.2.1. Характеристика объекта............................................................................129

5.2.3 Методика проведения испытаний.............................................................132

5.2.4 Расчет НДС свай по аналитическому методу...........................................133

5.3. Статические испытания одиночной грунтоцементной сваи на объекте в

г. Москва, ул. Нагатинская.........................................................................................138

5.3.1 Характеристика объекта.............................................................................138

5.3.2 Инженерно-геологические характеристики грунтов...............................139

5.3.4 Расчет НДС свай по аналитическому методу...........................................142

5.4. Экспериментальные исследования осадки грунтового основания укрепленного грунтоцементными сваями на опытной площадке в г. Пермь.......145

5.4.1. Характеристика площадки........................................................................145

5.4.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки.....145

5.4.3 Методика проведения испытаний.............................................................146

5.4.4 Расчет НДС и осадок плитно-свайного фундамента

по аналитическому методу..................................................................................147

5.5. Штамповые испытания грунтоцементных свай на опытных площадках......148

в г. Уфа.........................................................................................................................148

5.5.1. Характеристика опытного участка...........................................................148

5.5.2 Инженерно-геологические характеристики грунтов...............................149

5.5.3 Методика проведения испытаний.............................................................149

5.5.4 Расчет НДС и осадок свайного фундамента с плитным ростверком

по аналитическому методу..................................................................................151

5.6. Выводы по главе...................................................................................................153

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ..................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Технология струйной цементации грунтов находит все большее применение в практике строительства. Грунтоцементные сваи в настоящее время, используются как ограждающие конструкции котлована, в качестве противофильтрационных завес, усиления фундаментов, а также для закрепления грунтов в основании плитных фундаментов.

К достоинствам данной технологии стоит отнести возможность закрепления почти всего диапазона грунтов, отсутствием динамических воздействий, высокую производительность и ряд других положительных качеств. Однако, несмотря на достаточно широкое применение, актуальным остается вопрос рассмотрения взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком. Применение данного типа свай в настоящее время недостаточно обосновано, как экспериментальными, так и теоретическими исследованиями. Вместе с тем, очевидна экономическая эффективность использования грунтоцементных свай в составе свайных фундаментов с плитным ростверком по сравнению с другими видами свай.

В свою очередь в нормативных документах практически отсутствуют какие-либо указания по методам расчета данного типа свай.

Степень разработанности темы исследования

Исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом и характера их работы в виде различных несущих элементов посвящен ряд экспериментальных и теоретических работ. Такие исследования нашли отражения в работах С.Г. Богова, И.И. Бройда, A.J1. Готмана, В.А. Ильичева, П.А. Коновалова, А.Г. Малинина, P.A. Мангушева, Н.С. Никифоровой, A.B. Чернякова, Е.С. Almer van der Stoel, J.K. Kauschinger, G. Modony, T. Yahiro, H. Yoshida и др.

Анализ различных работ указывает на то, что возникает ряд проблем при проектировании грунтоцементных конструкций. Более широкое применение струйной цементации в настоящее время сдерживается тем, что она требует правильного назначения прочностных и деформационных характеристик грунтоцемента, так как принцип ее действия предполагает устройство строительных конструкций из естественных грунтов непосредственно на месте. В настоящее время при проектировании конструкций, состоящих из грунтоцементных элементов, приходится закладывать параметры конструкции, основываясь на результатах ее использования в схожих инженерно-геологических условиях.

При этом даже для одного типа грунта возникает проблема достаточно широкого диапазона значений прочностных и деформационных характеристик грунтоцемента. Все это требует проведения опытных и полевых работ с целью определения фактических параметров в данных грунтах. Данные работы не всегда удается обосновать заказчикам строительства, поэтому для надежного проектирования приходится закладывать характеристики с высоким уровнем запаса, что отражается как на стоимости строительства, так и на конкурентных преимуществах данного метода.

Исследование закономерностей работы и накопление опыта применения новых типов свай, еще не обладает достаточной изученностью и требует дополнительных исследований границ их применения для различных инженерно-геологических условий, а также оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) свай при взаимодействии с окружающим грунтом. В связи с этим необходимо провести оценку НДС грунтового массива вмещающего грунтоцементные сваи при их работе под нагрузкой, как в виде одиночных свай, так и в составе свайного фундамента с плитным ростверком. А также предложить метод и алгоритм расчета НДС с учетом параметров оказывающих влияние на характер взаимодействия грунтоцементных свай, с окружающим грунтом.

Цели и задачи исследования

Целью данной работы является изучение, развитие и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия грунтоцементных свай, с окружающим грунтом и ростверком, аналитическими и численными методами. Это позволит дать рекомендации по использованию грунтоцементных свай в виде одиночных свай и в составе свайных фундаментов объединенных плитным ростверком, включая методы расчета осадок фундамента в сложных инженерно-геологических условиях.

Научная новизна работы

1. Предложен метод решения задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы грунта ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай.-Данный метод отличается от существующих тем, что позволяет произвести оценку деформаций и усилий, возникающих в свае, как для однородного основания, так и для неоднородного.

2. Предложен новый инженерный метод расчета взаимодействия одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта, обладающим упругопластическими свойствами. Он позволяет учесть влияние перераспределения нагрузки между боковой поверхностью сваи и ее основанием при нагружении. Выполнен анализ этой модели на основе решения задач аналитическими и численными методами.

3. На основании модифицированного решения задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и внутренним радиальным давлением, определены аналитические зависимости для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание. Подтверждено, что учет жесткости грунтоцементных свай приводит к существенному перераспределению усилий между сваей и грунтом.

4. Предложен метод расчета висячих грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на сжимаемое основание. Он позволяет выполнить оценку НДС грунтоцементной сваи и окружающего грунта в пределах длины

условного фундамента. Представленная модель расчета также позволяет оценить деформации и приведенные характеристики деформируемости условного фундамента.

Теоретическая и практическая значимость работы

Проведенная научно-исследовательская работа позволила разработать новые принципы и методы расчета свай выполненных по струйной технологии. Даны решения с использованием учета сжимаемости ствола сваи, предложена модификация решения Лямэ, показан характер распределения напряжений между одиночной сваей и грунтом, существенно зависящее от соотношения их жесткостей, а также в составе свайного фундамента объединенного плитным ростверком.

Предложенные методы оценки взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом позволяют обеспечить научно-теоретическое обоснование возможности применения данных свай и могут быть использованы для проектирования реальных объектов.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты аналитического и численного решения взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с однородным и неоднородным грунтовым цилиндром.

2. Результаты расчета взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи, с грунтовым цилиндром на основе новой модели учета нелинейных свойств окружающего грунта.

3. Результаты расчета задач по оценке НДС группы свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание, основанные на новой методике.

4. Результаты расчета задач по взаимодействию группы свай под плитным фундаментом, опирающимся на сжимаемое основание, на основании новых аналитических зависимостей и принципов расчета.

5. Результаты экспериментальных исследований одиночной длинной свай и группы свай под плитным ростверком. Сравнение их с аналитическими и численными методами.

Внедрение результатов исследований

Результаты исследований внедрены на реальных объектах строительства и при составлении нормативного документа «Рекомендации по проектированию и расчету оснований плитных фундаментов с применением грунтоцементных колонн», выпущенные МГСУ в 2011 г., а также были реализованы в программном комплексе ОеоРМе.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований заключается, в том, что они основываются на применении основных законов и положений механики грунтов, и строительной механики, а также на сопоставлении полученных результатов с экспериментальными исследованиями взаимодействия грунтоцементных свай с окружающим грунтом.

Личный вклад соискателя в полученных результатах изложенных в диссертации, заключается в:

- решении задачи об оценке взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом на основе линейной модели работы грунта ограниченных размеров, с учетом сжимаемости ствола свай;

- разработке нового инженерного метода расчета взаимодействия одиночной сваи конечной жесткости с массивом грунта ограниченных размеров, при мобилизации сил трения на ее боковой поверхности;

- решении задачи Лямэ о цилиндре нагруженного внешним вертикальным и внутренним радиальным давлением, определении аналитических зависимостей для количественной оценки НДС грунтоцементных свай под плитным фундаментом, опирающихся на твердое основание;

участие в проведении экспериментальных работ исследования взаимодействия одиночной грунтоцементной сваи с окружающим грунтом.

Апробация результатов

Основные положения работы обсуждались: на XIV Международной конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 27-29 апреля 2011 г.; на конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» 19-21 октября 2011 г.; на XV Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» МГСУ 25-27 апреля 2012 г.

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в 7-ми печатных работах, четыре из которых опубликованы в изданиях из списка ВАК.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну З.Г. за проявленное внимание и оказанную помощь при выполнении настоящей диссертационной работы, а также техническому директору ООО «СК «ИПС», кандидату технических наук Малинину А.Г. за возможность апробаций теоретических исследований на реальных объектах строительства.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ 1.1. Разновидности инъекционного закрепления грунтов

Активное развитие крупных городов привело к необходимости осваивать новые площадки строительства, со сложными инженерно-геологическими условиями. Строительство на данных территориях невозможно осуществить без дополнительных мероприятий по преобразованию свойств грунтовых оснований. При этом в зависимости от сложности инженерно-геологических условий площадки, планируемых нагрузок от проектируемого сооружения, глубины заложения и типа фундамента возможно использование различных вариантов подготовки основания.

Одним из наиболее применяемых способов преобразования грунтов является инъекционное (цементационное) закрепление [47]. Цементация, как вид закрепления известен достаточно длительное время. В тоже время развитие новых технологических аспектов (оборудования, материалов для закрепления, способов инъецирования и др.) требует дополнительного изучения и рассмотрения. Рассмотрим историю развития данной технологии.

Закрепление