автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Несущая способность буроинъекционных свай при усилении фундаментов существующих зданий и сооружений

;фшстс;ютьо' шсшо и ормнего

ОНКШЛЬНЬгО ОБРАЗОВАНИИ РС1СР

Л'ШИГРАЛ^КЙЙ ордасш ТРУДОВОГО красного знамши и OKTiflbPbOKOI'i РЬШМЩИ Ю&ШРНОЧЯГОИШЬНЫЙ ШСТИТУТ

На правах рукописи

АЬШ ЪЕдир Зедил

HSOJliiÄHi СЮСОЬНОСТЬ ЬУШИШЖЩЮНШ СВАЙ

ubi усилшии ттшж . ОЛ^ТкШИЩ' ЗДАНИЙ и соошшй

СпецмальнЬсгь 05.23.02 - "Основания в (Цгадрченты"

А В 7 О PB Ф ЕР A Î диссертации на оовснашю ученэк степени ^вндидета технических яауи

С. -Петербург IS9¡¿

Раоота выполнена в Ленинградском ордена Трудового красного Знамени и ордена Октяорьской Революции инкенерно^троителыю«'1 институте, '-..'.' ' , *'.-Ч*':

Научны* руководитель - доктор технических наук, профессор

Александр Ьорисошч САДНЕВ

Социальные оннонента; доктор технических наук

В.М.Кирнляов

.: . к.т.н. »доцент

Г.Ф.Новожилов_

. Ведущая организация - ВНВДГС . •

&адща состойтоа р, в часов на

ваовдании оаецишшзироваадохо сонетеК.063.3±,Ш в Ленинградском ннженерао-строитвльшм институте поьдреоу: г» С.-Петер-

<оургг 2-ая Красноащейоиаи ул., дом 4, аудитория 607С.'

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной оиолио-твке «ногатуга. "

Автореферат разослан ^^¡^<.¿992 г.

Ученый с кретьрь специализированного оовета, кандидат

технических яау« • . с ^'1' /»озлов Е.А.

«Е.. .ИТЕЙ» I

I

ОШАЛ >АРМ'1^КЛИлА РАЬОТЫ

1Сжсртщи^туальиоцть теми, ь последнее врзлч в оьязи с крупным объемом строительных раоот чисто встает проолема^ усиления фундаментов и упрочнении их оснований, для усилении оснований и фундаментов в СССР попользуются различные адосооы, нипример, зикреи-ление грунтов осноьаний цементацией, силикатизацией или смолиза-цией, подведение балок и новых фундаментов и друхие. Каждый и» них имеет свои преимуществ« и недостачки, свою область применения, Однако, общим для всех шляется высоиая стоимость производств» рооот и невозможность применении в любых грунтошх условиях.

моИ|Ь» иуроит>ен1дио:шых сгай, явл^шцихск варммижм зуронаоивных, сюооден от указанных ььше недостаг/оь. другой немаловажной Облает) применения оуроиньекциоиных оиии является строительство новых сооружении рядом с сушествуацмми. Ш имеющимся данным разброс не суша й сиосооноста буронаоишшх спав одинаковых размеров, испытанных в одних и тех ке гйумтоьи* ¿чедоваях, мохе? достигать 40-/4. ..Это мокно об-ьясилть только хезаюяолйчеслими особе нтостши устройства ивадой оваи, коча^ие шгутьозиакнуть в ремяах принятой технологии. В связи о этим задача совершенствования технологии устройства Оуроинъекцлошшх сьай и прогноза пи» этом их несущей ссооооности является актуальной.

Шм и задами иооледованмР. Настояшя работа ставит налью . экспериментальное и теоретическое выяале1«1в роди твунолоп1Чеи1:их параметров изготовлешш оугшнъекцшшшх свей /в частности, давле ни я опресиовкй и объема закачанного распоре/ иб их ивоув^е сао-соошсть, а также сопоставление их раооуы в авизном грунте с оу-. роиаоивныки.

Способ усиления (¡¡ундаментоь существующих сооружений о ю-

Задачи исследований еключили:

.- проведение экспериментальных исследований по изучению взаимосвязи несущей способности оураинъекциошшх свез с технологией их изготовления;

- применение 1Ш для прогноза напряженно-деформированного соогояния оономний Оуроингекционных свай в стадии изготовления' и после их загрухенчя о использованием Солее обобщенной упруго-плаотичесной модели грунта;

- разработку инженерного метода расчета оуроииъекционных овай о учетом технико-экономических показателей.

Научная новизна диссертационной раооты заключается в следующем :

- экспериментально установлены закономерности изменения несущей способности суроинъекционных овай £ зависимости ох давления опрессовки и ооъема закачанного раствора при их изгогоздешш;

- разработан алгоритм решения осеоимметдачной задачи фунда-ментостроения о реала задней обобщенной упругонластичеокой модели грунта, учитывавшей как деформационное упрочнение, так и разупрочнение;

- осуществлено численное моделирование раооты оуроинъекшон-шх овай методом конечных элементов о учетом их опрессовки в стадии изготовления.

Практическая ценность раооты состоит в том, что разраостан-кий вариант прогрйлмн позволяет качественно оценить наиркженно-деформаоованное состояние как нормально уадо'ше'ншх, так и цере-. уплотненных грунтов оснований осесимметрич.чых фундаментов. Крема того, ирегноз несущей способности оуроинъекшюнких свай с у ve топ технологии их изготовления позволяет максимально аконзмить иьте--рцельдае ресурсу а снижать стоимость проектко-игые.чйтелышх работ.

На зашита выносится сйедумиие основные положения:

- результаты модельных испытании буроичъекционных овай, изготовленных по различной технологии;

- результаты полевых экспериментов оураинъвктошшх свай;

- методики реализации упругопластмческсй модели Таннка, осуществляемой при соо гашении алгоритма решения осеаиыметричнэй задачи и результаты численного анализа работа буроинъеиционншс овйй;

- инженерная методика расчета буроинъекционних свай.

Аипрооаиин раооти. Результат исследований докладывались на

45-й л 4?-й научных конуре нцикх Л 1С И /г. Ленинград, 1988-90 гг./, научно-технической конференции ''Геотехника Поволжья-17" /г. Саратов, It^y г./, л-й Всесоюзной концяриШчИИ "Использование достижений нелинейной мехаяда грунтов ч проектировании оснований и 45'ндаментов" /v. Коиар-Ола, 1989 г./, научно-технической конференции молодых специалистов 'и молодежи КарМК, профеосорсно-арзпо-даьительского гостава и студентов завода-ЭДУЗа /г. Темиртау, 1988 г./, республиканской научно-технической кож]ерешш молодых уче-чых к специалистов "Архитектур* и строительство - поиск и решения молодых" /г. Алма-Ата, 1УШ г./. •

Публикации. Ойновнке палокения диссертации излаиены в четырех печатных расотах, поведенных в сшоже литературы.

Объем работа. Лиооесташя соотоит из введения, чезырех глав, общих выводов, описка литера т/ры а приложений. Общий объем расо- . ты 211 страниц, в тон ■числе: 1.10 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 16 таолиц и ошоиа использованной литературы из 1УЗ наименований.

- Ь -

ОСНОВНОЕ СОД12НШШ РАЬОШ

ро введении обосновывается актуальность теыы диссертационной рвОстЫо формулируется цель исследовании, кратно излагается содержание «приводятся основные результаты.

Цвовья глаьа диссертации носит обзорный характер. Ь ней описаны конструкции, история ирмменени« и способа изготовлении оуроинъекщонных сщк, а такав приведен краткий оозор комплекса оборудования и инъекционных растворов, приме аяе:«шх при их изготовлении.

Буроинъекцпонная свал является разновидностью суронабивной сваи и отличается небольшим дкшшгром /Ьи...2Ь0 мы/, большим <от-носителькш заглублением «*0„.Л20/, нетрадиционным материалом сошла /мелкозернистый бетон/ и спосооом изготовления /инъекция оетона в скважину/. ' - *

¿¿опросим» технологии изготовления, конструирования и внедрения оуроинъекционннх свай в СССР посвящены работы ьахолдина Ь.В., Дишнтиыирова Х.А., 4щдорова ..ронского А.В., Егорова А.И., Львовича Л.Ь., Никтенко М.И., Клёинера И.М., Мирочинко Н.С.; за рубежом этой задачей занимались многие исследователи: ¡-13.2.3 Р.,

Н. и другие.

Несущая способность оуроинъекционных свай зависит от множества параметров, входящих в принятую технологию их изготовления *

/таких как давления одрессовки, длины опрессованного участка ствола и объема закачанного под давлением раствора/. Неизученность влияния последних йа'ршетров часто ьлеч' т за собой болыше экономические потери, тан как в сиьажлны нередко закачивается количество раствора, значительно превчиашее достаточное для обесие-чеыш треоуекэк несуи.ей спосооьосш. Кроме того, превышение дав-

ления опрессовки над давлением гидроразрыва грунта приводит к образованию трещин и последующему заполнении их раствором. Тре-иднн о раствором формируются в контакте со оваей и могут быть очень' длинными. Но к несущей способности свай эти трещины почта ничего не присашишт, так как у них раствор имеет небольшое поперечное сечение, и при загру&ении спай они оыотро отламывается от цилиндрического тела ствола.

Разработка оптимальной технологии изготовления к усовершенствования методов расчита буроинъекционных свай связаны с досто-вэрным прогнозом нэпрнкенно-деформированного состояния грунтов, их оснований. Существуйте методы расчета оснований по деформация в основной базируются на линейной теории упругости. Однако, реальному состоянию нагруженных оснований отвечает одновременное существование в грунтах областей упругих /обратимых/ и пластических /необратимых/ деформаций, что приводит к необходимости использования и расчетах нелинейных моделей дефэрмир>вания грунтов. Меиодам расчета с учетом нелинейного деформирования и разрушения грунта, направленных на выявление резервов несушей способности оснований, посвящены работы ы<ртоломая A.A., Березаидава В.Г., Ьугрова А.К., Вдлова G.C., Гольдина А.Л., Дидуха Б.И., Зарецко- ■ го Ю.К., Ильичева В.А., Крыкановского А.Л., Малышева М.В., Николаевского В.Н., Фадеева A.b., Федоровского В.Г., Seundler Rosgoö 0esai K.„ 2i©rükiewiC2 О. и других советских и зарубежных ученых.

Бо второй главе диссертации приводится методика модельных ' исследований, принципы определения критериев подобия, описание и принцип работы используемого оборудования, оораоотка и анализ результатов лаиора торных исследований.

Для выяснения влияний технологических особенностей возвело-

кия буро инъекционных свай на их несущую способность, в частности , влияние объема закачанного раствора, давления интеыдаи а душны участка опрвссовки, л асо^а торное моделирование является практически наиболее удобным и доступным экспериментальным методом, позволяющим учесть .указанные $а«торь в широком диапазоне их изменения.

За основу при лабораторном моделировании использовался предложенный Кузнецовым Г.Н. /1968 г./ метод аквивалентных мате риалов. Дли ог ределенаи ка критериев подобия сила принята линейная теория подобия, согласно которой связь мезду всеми рассмотри ваемьш величинами на модели и £ натуре является линейной.

Модели свай имели. следующие размерь: & =300 мы, <£. «=15 мм. М»териал-моделей свай представляет собой цементный раствор о во-доцеыентньм отношением 0*5, и маркой цемеята 300. Данное значение В/Ц, на наш взгляд, соответствует требованиями прочности, и подвижности раствора.

Изготовление буроин'мшмюнных моделей сва« осуществлялось по следующей технологии. Вертилшььые скважины проходились вдавливание'. в грагшг тонкостенной оОоадаой трубы с полным извлекшем рч нее грунта. Уплотнение грунта вокруг скважины при этом не происходит. После чего труба пришднодалзы. над устьем оквавдня на требуемую длину участка опрессовки. Через ату ке обоадаую трубу в сььакину под'давлением подавался раствор. Нагнетание произ-. водилось в один этап. По окончанию процесса опрессовки обсадная труба из грунта постепенно извлекалась.

Ьуромнъекшонные ыэдели изготовлялись при разных взличиьах даьл шд опэессовки, объем*. закачанного раствора и дшнц участка опрессовки. Показа тел чми этих периметров являются чоа(|ф1щ,ента:

I ФцМ ' V» 1 У V V« '

Для устройства и инъекции моделей сьай применялись две схемы онрессовки раствора /Рис. 1/. По пьрьои схеме давление инъекция создавалось с помощь» грузов черзз поршень, который перемз-шалон а прозрачном цилиндре, заполненном водой. Однако, данная установки позволяет создавать давление в растворе не более 250 и Па. Поэтому для онрессовки Оуроинъеишютшх свай оольиим давлением сад сконструирован специальный рьсдэоро насос, раоотаюший о помощью скатого воздуха /вторая схема/. Конструкция рзстворока-соса представляет сооой толстостенный металлический цилиндр /бак/ , с одним закрытым концом. Верхний отьрытнй конец цилиндра имеет металлическую крышку, в которую вмонтированы манометр для измерения давление раствора в сане, клапан для регулирования сороса избыточного давление и конический кран. Между краткой и цилиндром вставляетея резиновая прокладка для ооеспеченин герметизации баке. Источником давления олуиит компрессор, которой соединялся о баком через "резиновый шланг. ¿ди внличениа растворонасоса в ра-ооту сначала оак заливается раствором, затем вставляется вакуумная резина для отделения раствора о» спетого воздуха. Далее неде- ' каются прокладки и крышке, которая завинчивается оолтами. При • • включении компрессора сиатый воздух создает давление на ьакуумнул резину, прогибая ее и тем самдл передавая давление на раствор- К * сяаим выход растворе под давлением производится через труоку, расположенную в нижней части бака. Продолжительность процесо инъвк- ' ции при этом составляет 2-3 минуты.

При обработке результатов групп статических испытаний оваь

ПЕРВАЯ САКЛА

1 - грунт - модель сваи

3 - манометр

4 - прозрачный цилиндр с водой

5 - поршень

6 - грузы

7 - лоток

6 - украгштельные рамка

ВТОРАЯ США

1 - целаентннй раствор 6

2 - металлический сак 7

3 - входной кран 6

4 - реэиношй шпанг от компрессора

- манометр

- крышка

- резиновая прокладка /уплотнитель/

- клапан дан рёгулироштн давле-9 - выходной кран

нин

10 I

укрепительная подошьа - вакуумная резина

Рйк. I. Схемы опрессовьи раствора

были получены занисимоста показателей несушей способности от объема инъектируемого растворе и давлений опрессовки /Рис, 2/. Выявлено 5 что показатель несущей способности евмш линейной зависимостью с давлением инъекции и прямо ваваоия от показателя объема раствора оС . Установлено такие, что линейнув связь показателей несущей сиссосноста и объема раствора.кожка получить, если ввести некоторое изменение в последнем без игменанвд его физического смысла, Удаокш для этого оказался коэф}ици«от ^ .

?б® кЦа

Рис. 2. Зависимости показателей кесуаей способности % от давленая опрессовна шгдо а объема инъектируемого раствора «С. й В> , гд9£

кЙри =0,17; пра ш

Третья глава диссертации посвшенч теоретическому исследований ншрнлешю-де^орлшро ванно го состояния оснований оуро*".нъекци~ онкых свай с полотка метода конечных алзментоа. Ярздстыаеы рззраоотаикык автором под руководсизэм профессора Фадеева А.Ь. алгоритм и программа численного пе^нкя осесиимятрччных задач

в упругоплаотичеоиой постановке. Программа написана на языке Фортраа-4. Усругодластаческоь решение достигается о исподьзова-ниеы известного метода начальных напряжений. В 'качестве модели гранта принята арендованная в реооте Танака упругоштотачвовая модель, сфз{«улированная в рттх теории пластического течения /Рис. 3/. Грунт, согласно этой иод зли, рассматривается как уи-рэчняшаяся-разупрочняшаяая уп*>угощшйтаческая среда. В качества критерия прочности принят критерай Боткина.

Зона упругоих деформаций определяется' эллиптической поверх- .. ность» текучеота ^fg и' линией предельного состояния ^ . Цоверх-нос ть тевучести соответстауа? дафорйционному упрочнена» и описывается уравнением:

(!)

Предельная линия кулоновокого типа в дакнем случае представляет собой условие текучести Дракера-Врагера с деформационным разупрочнением и описываемся уравнение«: '• .

Ъ» МГ< + ^-К-О (г)

Линии ^ и "¡4 имей* общую особую» точку, через которую проходит линии критического состояния. Таким ооразом, параметрами прочноо-ти являются октаадричесний угол внутреннего гренкя ^ ^Мю и ок-таэдрическое сцзиление К для нормально уплотненных грунтов, угол наклона прздельлой поверхности переуплотненных грунтов "Ьр М и давление переуплотнения

Действ/тим правилом по всей поверхности текучести является оообщенный ассоциированный закон пластического течения Койтера. Положение поверхности текучести изменяется в процессе декорирования по мере накопления объемных пластических деформаций. Последнее обстоятельство подробно разъяснялось ори проведении тестирована я программы путем численного моделирования испытаний образцов грунта на компрессию и на одноосное окатив. Кроме того, ^ля проверки. работоспособности вычислительной программы в этой главе

рассматривалась осесимштричная задача эагружения круглого жесткого штампа диаметрсм I м.

буооинъекпионных свай до их загружена. где: I - копр е=1Ш «Не: Я - 160 кРа; 11 - 210 кПа; 1У - 24» кЯа

- и -

So

Rig. 5. Эшора распределения напряжений а

о -О20 в -@© , г -Тръ , полученные МКЭ, в зоне оцрассовка оуроинъеншюнньх ciafl ' до вд загданення» где г 1 - Йот»» =100 кПа; П - 160 Kiiss I! - 210 кПа; 1У - 240 кПь.

So разработанной программа было проведено численное моделирование процесса опрессовки к аагрукения модельных оурошъек-щоншаг овай и сопоставлено с данными статических испытаний, полученными а серии лабораторных сдатов. Расчеты ШЭ проводились в два этапа, Ha первом этапе моделировался процесс опрессовки сваи путей приложении на окрувдаций грунт /в пределах инжектируемого участка сваа/ внешних узловых горизонтальных сил. При- этап свойства материала сваи задаэалиоь как для мягкого пластичного бетона. НДС грунта вокруг зоны опрессовки сваи, полученное в расчете МКЭ при разных'величинах инъекционного давления, представлено на рисунках 4 и Установлено, что при малых величи-

нах давлении инъекции распределение горизонтальных перемещений грунта зоны опрессовки приооретает равномерный характер, следовательно, и уши ре ни е о 4аи в этой зоне происходит равномерно. По мере *е увеличения давления опрессовки эта равномерность нарушается, причем большее горизонтальное смешение грунта ниблцда-ется в верхней части зоны опрессовки. Область грунтового основания, в которой заметно протекают горизонтальные перемещения во всем диапазоне да&пений» оценивается расстоянием от оси сван не оолее СЙ^. Ь то время как напряжения в зоне опрессовки распространяются на расстоянии 10от оса сваи. Максимальные значения напряжений ,@в и „ подученных в результате опрессовки, наблюдаются прямо у боковой поверхности сваи.

Нагрукение свай на втором этапе производилось при огойствах твердого бетона путем приложения вертикальных сил еяупешш вдоль до поте^ несущей способности осногзшш. При этой горизонтальные перемещения вокруг зонц опрессовки, полученные из первого ятапо, задавались как начальные.

Ь четвертой глава описаны полевые исследования несущей спо-сооности буроинъенциошшх.свай» проведенные в районе Вгевка-По-роховые г. С.-Петербурга. Всего наготовлено и испытано одна буро-набивная и три буроинъекцаогашх сваи.

Грунты экспериментальной площадки представлены суглинками мягкопластичной консистенции /.$=1,62 т/и3, §=0,009 МПа, $ =14°, Е =2 М11а, $ =0,25/. Все четыре сваи имели диаметр 100 мы и длину 2 ы. Ьуронабивиая свак изготовлялась ооычныа заполнением, скважины песчано-цаментнш.4 растворам. Технология изготовления буроинъекционных свэй предусма.рлвала нагнетание заданного количества раствора в нданю» зону скважин вод давлением, необходшш для их у шире ния. при этом варьировалась дана участка опоессоина

и объема шгьевтируемогораствора.

Результаты отатичеоких испытаний показали, что несущая способность буроииъвкционкых свай увеличивается о увеличением объема инъехтаруеыого раствора я о уменьшением длины участка спрее* оовки. Отмечается тайне хорошея оходамооть результатов полевых исследований в результат©« лотковых экспериментов. Ваохоздение между нши не превишало

Численный анализ работы буроинъекгюиннх овей приведен по раэраоотенной программе. Установлен характер распределения горизонтальных и вертикальных перемещений, а также пластических объемных а сдвиговых деформаций в основании свай.

Для проектирования буроинъекциокных свай о учетом технико-эконоыического орошения о бурокабивными сваями была соотавлеш программа расчете для ПЭВМ на основе инженерно*4 методики о использованием обычных таблиц СНиД 2.02.В5 "Свайные фундаменты".

• . основшввывода

1. Проведенные модельные и полевые испытания в связных грунтах показали, что несущая способность оуроиньекционшос свай во многое зависит- о» технологии их изготовления.

2. Несущая спосоонобл, буронабивных оаай при ингьеиили под давг.зшем дополнительного обьенараствора- значительно возрастает. Да« достижения более аффективных результатов инъеквди опрес-совку рекомендуется производить Ей нижнему участку ствола сваи.

3. Зашейное» несудей способности бугринъекционных свай от объема аакача^аого рестворв имеет нелинейный характер. Для получения линейной овази. оыло найдено адпирическое выражение для объема раствора.'. - - "•..'".•■••'

4. Результаты модельных испытаний показали, что несущая способность оуроинъекционных свай находится в линейной зависимости от давления опрессо^и, Однако, превышение даыения опрессовки над величиной давления гидроразрыва приводит и нерациональному расходу раствора. В качестве давления гидроразрыва рекомендуется попользовать то давление, которое ооеопечивало бы равенство несущей способности сваи по грунту прочности ее материала.

Ь. Разработана программа для решения осесииматричных задач цундаментос.роения. Реализованная в программе упру го пластическая модель Таиака позволяет максимально отразить реальные свойства нормально уплотненных и переуплоткзнннх связных грунтов.

6. Результаты расчета по программе соответствуют результатам компрессионных и сдвиговых испытаний, а танке аналлтгческим результатам штамповог^ испытания.

7, Проведенные на основе разработанной программы расчета буроииъандаонных свШ позволили проверить достоверность результатов, полученных при лабораторных и полевых экспериментах.

Б. Для проектирования буроинъевционных свай о учетам тех-нико-акономичеокого сравнения была составлена г^ограмма расчета на основе инженерной методами о использованием обычных таблиц снии ii.aa.e5. •

Основные положения диооертащщ д. результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Аббао З.Ф., Фадеев А.ь. Исследование на моделях механизма и 8ф$экта опрессошш оурашьегаяогшых свай /Тр.каучн.техн.кои-фер.молод.спец. - Темиртау. Т938, о. 63-70/.

2. Аббас З.Ф. Натурные последе ранил бучоин! екщонных свай. Б кн.: "Основания и (фундаменты граждансвпх а ироглыиленнкх здэкий

/в уоаовинх одаОшс « мерзлых грунтов/", ЛИСИ, Л.» 1990. о. 25-«»,

.3. АЗйво З.Ф.. Горшков Г.Н. Несущая способность оуроинъек-цнонных свай в уоаовиях реконструкцийа В кн.: "Архитектуре в строительство - поиск к ценен' я молодых*. Алма-Ата, 1989, о. 7173.

4. Аббво З.Ф., Фадеев A.b. Исследование напряженно- деф^ марованного состояния грунта ьокдуг буроинъекционных свай мвто-дак конечных элементов /Тр» ^-й Всеоо«»ное конфар. "Использование достижений нмянеинай механики грунтов в проектировании оснований в фундаментов". - Йошдор-Ола,1У8Э, с. 49-50/.