автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние несвязного грунта по боковой поверхности буровой сваи при перемещении ее под нагрузкой

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Кузнецов Александр Васильевич

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА ПО БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ БУРОВОЙ СВАИ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ЕЕ ПОД НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.23.02 "Основания и фундаменты"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Бронин В.Н.

г.Санкт-Петербург 1998 г.

Оглавление

Введение.....................................................6

1. Анализ состояния вопроса........................................10

1.1 Влияние технологии изготовления буровой сваи на напряженное состояние по ее боковой поверхности в несвязных

грунтах...................................................10

1.2 Работа грунта по боковой поверхности буровой сваи при

действии осевой нагрузки.....................................13

1.3 Определение изменения напряженного состояния окружающего грунта по боковой поверхности сваи под нагрузкой. Методы определения несущей способности грунта по

боковой поверхности сваи...................................19

2. Исследование изменения напряжений в песках при сдвиге..............32

2.10пределение основных закономерностей изменения свойств

грунта при сдвиге на приборе ПВС-ЗМ.........................37

2.2 Исследование изменения нормальных напряжений в грунте

при сдвиге................................................42

2.3 Анализ влияния развития дилатансии на сопротивление грунта

сдвигу....................................................47

2.4 Расчетный метод определения несущей способности грунта

по боковой поверхности сваи с учетом эффекта дилатансии.......50

3. Модельные исследования сопротивления песчаных грунтов по

боковой поверхности сваи..........................................56

3.1 Методика проведения эксперимента...........................56

3.2 Экспериментальные исследования сопротивления грунта

по боковой поверхности моделей свай.........................61

-33.2.1 Исследование изменения напряженного состояния по поверхности плоской модели при вертикальной

нагрузке..........................................61

3.2.2 Исследование влияния различных факторов на боковое сопротивление буровой сваи в несвязных

грунтах............................................67

3.3 Сравнение результатов лабораторных экспериментов с

результатами испытаний моделей свай.........................73

4. Определение сопротивления песка по боковой поверхности буровой

сваи...........................................................76

4.1. Оценка природного напряженного состояния песчаного грунта.... 76

4.2. Полевые испытания буровой сваи. . ...........................78

4.2.1. Методика проведения статических испытаний

буровой сваи пробной вертикальной нагрузкой..........80

4.2.2. Анализ результатов испытаний сваи...................84

5. Основные выводы...............................................95

Список использованной литературы................................98

Приложение к диссертации (результаты экспериментов)...............110

Условные обозначения.

Аг- площадь боковой поверхности сваи, ¿/-диаметр сваи. Е- модуль деформации грунта. е- коэффициент пористости грунта.

несущая способность сваи по боковой поверхности. /- расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи. /т - среднее сопротивление грунта по боковой поверхности сваи по ее длине.

Х- сопротивление грунта по боковой поверхности зонда, д.,- сопротивление грунта под острием зонда. 1<1 -относительная плотность. I- глубина погружения сваи. Р- вертикальная нагрузка на сваю.

ащ- добавочные напряжения, возникающие от эффекта дилатансии. и- величина линейных перемещений грунта от эффекта дилатансии. <зтах- максимальные нормальные напряжения к плоскости сдвига, при которых линейные перемещения грунта от эффекта дилатансии не возникают.

оо-нормальные начальные напряжения в плоскости сдвига (кПа). <т„- эффективные местные нормальные напряжения по боковой поверхности сваи.

тя- касательные напряжения по поверхности сваи. у- коэффициента Пуассона. - коэффициент бокового давления грунта.

коэффициент бокового давления грунта на поверхности сваи, зависящий от типа сваи (для буровых £;с /^=0,71-1 [78]).

-55- угол трения материала сваи по грунту. (р- угол внутреннего трения грунта.

т], к и в- коэффициенты, определенные по обработке результатов лабораторных экспериментов.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Перед строительной индустрией стоит задача повышения надежности и качества строительства, в том числе в геотехнике. Одним из возможных направлений решения этой задачи является внедрение новых технологий и совершенствование расчетного аппарата. В течение последних лет в строительной практике нашей страны, а также в зарубежном строительстве получили широкое распространение буровые сваи большой несущей способности. Для определения их несущей способности параллельно существуют экспериментальные (практические) [15; 71; 78; 94; 98; 100; 108; 115; 127; 128] и расчетные [2; 48; 55; 65; 72; 113; 125 и др.] способы. Буровые сваи обычно изготавливают большой длины и диаметра, что значительно увеличивает затраты на испытание сваи статической нагрузкой и невыгодно для массового применения в отрасли. Это обусловливает необходимость развития расчетных и косвенных методов определения несущей способности сваи. Применяемые отечественные нормы [126] не регламентируют определения сопротивления грунта по боковой поверхности буровой сваи по результатам зондирования. В то же время большая практика применения рассматриваемых типов свай за рубежом [10; 13; 59; 103] позволяет обратиться к накопленному опыту европейских стран [78; 128], где большое распространение получили методы определения сопротивления грунта по боковой поверхности буровых свай по результатам пенетрации и зондирования. Однако масштабный эффект, а также целый ряд трудно учитываемых факторов снижают точность определения сопротивления грунта по боковой поверхности буровой сваи по данным зондирования [77; 107].

Причиной неточности расчетных методов является то, что нагружение сваи, изготовленной в несвязных грунтах, вызывает изменение напряженного состояния не только под острием сваи, но и по ее боковой поверхности. Данное изменение или не учитывается при расчете сваи совсем, или параметры измене-

ния напряжений, принимаемые в расчете, вызывают сомнения в связи с недостаточным их обоснованием. Это приводит к неточной оценке несущей способности свайного фундамента [8; 59; 64; 77; 85; 92; 134].

Налицо противоречие между необходимостью учета изменения напряженного состояния песчаного грунта по боковой поверхности буровой сваи при ее нагружении, и недостаточной изученностью механизма формирования контактных и нормальных напряжений по боковой поверхности сваи.

Проблема. От каких факторов зависит величина напряжений, возникающих на контакте "свая - грунт" при нагружении сваи вертикальной статической нагрузкой, и каково их влияние на ее несущую способность?

Объектом исследования избран окружающий буровую сваю песчаный грунт, т.к. при изготовлении буровой сваи в наименьшей степени изменяются его свойства и напряженное состояние, что позволяет наиболее точно определить начальные условия расчета.

Предмет исследования. Изменение напряженного состояния несвязного грунта по боковой поверхности буровой сваи при действии осевой вдавливающей нагрузки.

Цель исследования. На основе лабораторных и модельных опытов оценить и проверить на натурном эксперименте влияние дилатансии на сопротивление несвязного грунта по боковой поверхности буровой сваи под осевой нагрузкой.

Задачи исследования.

1. Установить зависимость возникновения связанных с дилатансией добавочных напряжений от величины начальных нормальных напряжений, плотности песчаного грунта и крупности составляющих его частиц.

2. Оценить факторы, влияющие на несущую способность грунта по боковой поверхности буровой сваи при загружении ее осевой нагрузкой.

- 83. Разработать метод расчета определения добавочных напряжений по боковой поверхности буровой сваи при загружении ее осевой нагрузкой. Методика исследования:

1) лабораторные исследования явления дилатансии;

2) лотковые эксперименты с моделями свай;

3) полевые испытания сваи большого диаметра;

4) применение теории планирования эксперимента;

5) численный анализ полученного решения.

Научная новизна:

- установлена зависимость возникновения связанных с дилатансией добавочных напряжений от величины начальных нормальных напряжений, плотности песчаного грунта и крупности составляющих его частиц;

- определены факторы и дана оценка их влияния на сопротивление несвязного грунта по боковой поверхности буровой сваи при загружении ее осевой нагрузкой;

- обосновано возникновение экстремума местного сопротивления грунта по боковой поверхности сваи на определенной глубине от поверхности грунта, и дано распределение сопротивления грунта по длине сваи.

На защиту выносятся:

- результаты испытаний песков различной плотности и грансостава на приборе вращательного среза;

- результаты экспериментов с моделями свай в плотных песках и песках средней плотности;

- оценка изменения напряженного состояния грунта по сдвиговой поверхности буровой сваи при загружении ее вертикальной статической нагрузкой;

- метод определения несущей способности буровой сваи, изготовленной в плотных песчаных грунтах;

-9- результаты натурных экспериментов по определению несущей способности сваи.

Практическая ценность. Выполненные исследования позволили разработать метод определения несущей способности буровой сваи, изготовленной в песках плотных и средней плотности. Этот метод дает возможность повысить точность и надежность расчета несущей способности буровой сваи. Изменение напряженного состояния грунта по боковой поверхности сваи с учетом диаметра при перемещении ее под статической нагрузкой в несвязных грунтах позволило применить полученную методику для определения коэффициентов перехода от результатов статического зондирования к расчету сопротивления несвязного грунта по боковой поверхности буровой сваи.

Автор выражает благодарность за содействие в работе над диссертацией проф. В.Н. Бронину, коллективу кафедры Геотехника СПбГАСУ и ЗАО 'Твострой" в лице ген. директора А. И. Осокина.

- 101. Анализ состояния вопроса.

На поведение сваи в грунте под осевой нагрузкой влияет множество факторов. Главными из них являются состояние и свойства окружающего грунта, метод изготовления сваи, ее геометрические размеры, характер загружения.

Единичная вертикальная свая в массиве грунта, загруженная вертикальной статической нагрузкой, передает усилия в окружающие и низлежащие слои грунта. Несущая способность боковой поверхности буровой сваи, которая составляет 20-30% от общей нагрузки [68], определяется поверхностным трением, которое мобилизуется через увеличение перемещения трущейся поверхности и через осевое сжатие ствола сваи, что подтверждается рядом исследований [31; 59; 76; 86; 101; 106]. Сопротивление грунта по боковой поверхности сваи/является величиной, пропорциональной нормальным напряжениям по сдвиговой поверхности [60]. Напряжения вокруг поверхности сваи до ее загружения складываются из природных напряжений и напряжений, возникающих при устройстве сваи.

1.1 Влияние технологии изготовления буровой сваи на напряженное состояние по ее боковой поверхности в несвязных грунтах.

Технология устройства буровых свай состоит из отдельных этапов, включающих проходку скважины, установку арматурного каркаса и заполнение скважины бетонной смесью. Скважину под сваю устраивают различными способами, в том числе вибропогружением или завинчиванием инвентарных обсадных труб, а в ряде случаев - бурением грунта без обсадных труб с использованием гидростатического давления глинистого раствора или воды. Каждый из приведенных этапов в большей или меньшей степени оказывает влияние на несущую способность сваи по грунту. Допущение о том, что свойства грунта до и после устройства сваи неизменны, часто вызывает сомнение и приводит к невозможности точного определения значения несущей способности боковой поверхности конкретной буровой сваи [20]. Однако предположение об увеличении

точности расчета буровых свай в песках путем учета влияния изготовления сваи требует более подробного рассмотрения.

Несущая способность буровых свай существенно зависит от прочности контакта бетона ствола сваи с окружающим грунтом и изменения напряженного состояния грунта вокруг сваи, связанного с ее изготовлением. Многие исследователи пытались определить несущую способность сваи по боковой поверхности с учетом влияния технологических факторов, таких как давление свежеуло-женной бетонной смеси на стенки скважины [20; 27; 28], влияние изменения влажности в процессе формирования ствола сваи [116] и проникновение цемента в окружающий грунт [19; 37; 62].

При устройстве скважины под гидростатическим давлением глинистого раствора существует возможность проникновения бентонита в грунт и изменения свойств окружающего грунта, однако опытами К.В. Сегпа[67] установлено, что трение по боковой поверхности между песком и бетоном не изменяется под действием суспензии на грунт в течение 18 часов, с увеличением же времени отмечается уменьшение угла контактного трения.

Вопрос о том, в какой мере внедрение обсадной трубы влияет на несущую способность сваи, остается открытым. Д.Ю. Соболевский[50] указывает на разуплотнение грунта вокруг стенок скважины. В то же время внедрение обсадной трубы с помощью вибрационного или ударного метода уплотняет грунт вокруг скважины. Е. Sellgren[101] замечает, что при прессиометрических испытаниях грунта в скважине обсадные трубы вносят ошибку при испытаниях в 1520% из-за изменения состояния грунта.

Существенное влияние на величину радиального давления оказывает вибрирование бетона при устройстве ствола сваи. Ф.К. Лапшин[31] считает, что при укладке бетонной смеси с вибрированием радиальное давление в зоне действия вибратора должно равняться гидростатическому давлению. B.C. Сажин и А.Г. Бейрит[47] принимают горизонтальное давление после вибрирования в

1,14-1,3 раза больше гидростатического. По мнению Ю.И. Ковалева[27] вибрирование укладываемой бетонной смеси уменьшает влияние миграции влаги на снижение радиального давления.

Напряженное состояние вокруг буровой сваи окончательно формируется после ее бетонирования. При твердении бетона на обычном портландцементе происходит усадка ствола сваи. Явление усадки бетона в скважине изучалось Ф.К. Лапшиным[31] и А.К. Дзаговым[116]. Ф.К. Лапшин отмечает, что явление усадки связано с миграцией воды из бетона в грунт и радиальные деформации ствола можно определить по формуле:

где Ле - величина усадки бетона (по Ф.К. Лапшину Ле = 0,0002-0,0004 м); с1 -диаметр сваи (при с1 = 1м Лг = 0,15мм).

В опытах А.К. Дзагова подтверждаются выводы Ф.К. Лапшина о величине усадок ствола буровой сваи. Так, согласно опытам А.К. Дзагова[116], абсолютная величина деформаций через 28 суток после укладки бетонной смеси составила 0,1мм/м. При этом отмечалось уменьшение радиальных напряжений по длине сваи во времени (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема изменения радиальных напряжений по длине сваи по испытаниям А.К. Дзагова[116]: 1- гидростатическое давление воды; 2- давление бетонной смеси после заполнения скважины; 3- то же через 2 часа; 4- то же через сутки; 5- то же через 28 дней.

(1.1)

Радиальные налряжения кПа

10м

Из вышесказанного следует вывод о небольшом влиянии технологии изготовления на нормальные напряжения и свойства окружающего песчаного грунта по боковой поверхности буровой сваи до ее загружения.

Ошибки при определении физико-механических параметров песчаного грунта, математически обоснованные Р. ЬитЬ[90] и представленные в табл. 1.1, имеют более значительный порядок, чем влияние технологии. И при соблюдении технологии изготовления буровой сваи, при расчете ее несущей способности, можно основываться на природном состоянии грунта, исключая фактор технологии изготовления.

Таблица 1.1

Коэффициент вариаций характеристик рыхлых пород в массиве несвязного грунта [90].

Параметр Коэффициент

вариации

Плотность 0,01-0,10

Пористость 0,10-0,30

Эффективный угол трения 0,05-0,15

Модуль деформации 0,20-0,40

1.2 Работа грунта по боковой поверхности буровой сваи при действии осевой нагрузки.

При испытаниях свай вертикальной статической нагрузкой часто происходит недогружение сваи до ее предельной несущей способности. В данном случае мобилизация сопротивления происходит не одновременно по всей длине сваи, а развивается постепенно из-за упругости материала сваи [3; 86; 93; 97; 106]. Особенно заметно это в несвязных грунтах, где сопротивление по боковой поверхности мобилизуется сверху вниз [77; 86; 97; 106](рис. 1.2).

нагр.Р

ДМ JW П,эп/ 6) т

А i \ f

\ т

Б i \ f Б Г

\ тв

В \ Í f

i 1 1

Рис. 1.2. Реализация сопротивления/по длине сваи в несвязных грунтах:

а) распределение/ по поверхности сваи;

б) зависимость сопротивления по боковой поверхн�